基于WiFi環境下的無線家庭環境監測系統設計與應用

王夢秋

摘要：本文分析了基于WiFi環境下的無線家庭環境監測系統的設計與應用，在系統設計方面，分析了系統體系結構和系統重要節點設計；在應用方面，分析了應用場景和進一步發展方向；最后總結了該系統設計和應用中的性能特點。通過以上分析，旨在明確了基于WiFi環境下的無線家庭環境監測系統設計和應用的要點，旨在完善和提高該監測系統的功能和性能，提升該系統的應用價值。

關鍵詞：WiFi環境；無線家庭；環境監測系統；設計；應用

一、 概述

隨著經濟的發展和生活環境的逐步惡化，如PM2.5、家庭裝修污染等，人們對良好生活環境的要求越來越強烈。但是，人們所在生活環境的各種指標數據，還停留在感知層面，沒有形成系統的、可評價的、可見的層面。如果能建設一套對家庭環境進行檢測的信息系統，對家庭環境的各類參數實時監測，讓原通過感知的信息轉換成可探測、可監測、可評估、可見的信息，讓環境信息一目了然，并進行有效評估，具有較大的應用價值。

家庭無線WiFi為該系統建設提供了基礎條件。

二、系統結構設計

（一） 監測系統體系結構

基于WiFi環境下的無線家庭環境監測系統包括環境探測傳感器、WiFi通信設備、數據采集顯示屏報警器、智能手機APP軟件等設備。這些設備通過家庭無線WiFi設備進行通信并組成一個系統。見下圖：

該系統將家庭環境的各類設備組成一個網絡，運行方式為：

各類傳感器將探測到的數據，通過無線WiFi設備發送到數據采集及顯示報警器上，數據采集顯示報警器將采集到的數據在顯示屏上實時顯示，同時轉發到互聯網或家庭其它存儲設備上，環境監測數據超過設定閥值時該設備予以聲光報警，手機APP提供環境數據查看、分析、報警、設置等功能。

（二） 系統硬件

該系統硬件包括環境探測傳感器、無線WiFi設備、數據采集顯示屏報警器、智能手機。其中：無線WiFi設備、智能手機利舊；新設備為環境探測傳感器、數據采集顯示屏報警器。數據采集顯示屏報警器為該系統的核心設備。

1. 環境探測傳感器

環境探測傳感器包括多種環境探測傳感器，包括但不限于溫度、濕度、PM2.5、氣壓、放射線、甲醛、煤氣、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、水壓、電壓、風速、采光、照明等各類可探測、收集的環境因素傳感器。

2. 無線WiFi設備

無線WiFi設備可以利用現有家庭的無線WiFi設備上網設備，不但能夠將所有環境探測傳感器方便地連接在一起，而且自動連通了互聯網絡，便于開發智能手機APP軟件，實現手機上對家庭環境數據的即時查看，同時降低了投資成本。

3、數據采集顯示屏報警器

數據采集顯示報警器，是該系統的核心設備，通過無線WiFi接入該系統。該設備無線WiFi采集各個傳感器獲得的數據，在顯示屏上進行實時顯示同時轉發到互聯網或家庭其它存儲設備上，環境監測數據超過設定閥值時該設備予以聲光報警。該設備具備較大顯示屏，分區、分時顯示各類環境探測數據；具備聲光報警功能；具備數據暫存功能；具備預警閥值設置及數據計算功能。數據采集、探測、顯示、預警內容包括傳感器自身運行工況信息、電池電壓信息等。

（三） 系統軟件

系統軟件包括數據采集顯示屏報警器軟件及智能手機APP軟件兩部分：

1、 數據采集顯示屏報警器軟件

該軟件能夠接收各類傳感器傳遞的各類數據，并對數據進行暫存、轉發、顯示，根據設定的閥值啟動聲光報警；該軟件具備對各類環境參數進行閥值設定功能。

2、 智能手機APP軟件

智能手機APP軟件，用于在手機上顯示、查看家庭環境個各類實時數值，歷史曲線，設定報警閥值、超過閥值預警等內容。數據來源于傳入互聯網存儲的環境數據或存儲于家庭存儲上的數據。

（四） 監測內容

監測內容包含系統自身監測內容及環境監測內容兩部分：

1、 系統自身監測內容

該系統接入各類傳感器較多，且各類傳感器為實時工作狀態，耗電量較大；受無線WiFi信號強弱的影響，傳感器接入網絡情況帶有較大的不確定性。基于以上因素，該系統的監測內容，首先是對接入該系統的各類設備運行工況、電池電壓、是否接入網絡、數據傳輸是否正常進行監測。對該系統運行的異常情況進行報警。

2、 家庭環境因素監測

環境因素監測，包括但不限于溫度、濕度、PM2.5、氣壓、放射線、甲醛、煤氣、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、水壓、電壓、風速、采光、照明等各類可探測、收集的環境因素。

（五） 環境監測系統的關鍵技術

1、WiFi信號組網技術

由于家庭面積有大有小，受墻壁等因素影響，存在WiFi信號覆蓋不到位的情況，該情況會導致整個系統難有有效組網。解決該問題的辦法，一是采購大功率、多天線WiFi設備，二是采購多個WiFi設備進行WiFi設備級聯，見下圖：

3、 傳感器節電技術

家庭環境探測傳感器的節點技術，直接影響整個系統的運行成本。在用干電池或充電電池的情況，可以采用設定數據采集時間間隔時長來節約電量。對長期穩定的因素（氧氣、采光、通風、甲醛等），數據采集時間間隔設定較長時間；對重要的、影響較大的因素（燃氣、一氧化碳等）設定較小的數據采集時間通過這種方式，既滿足數據采集的要求，又節約了電力，降低了系統運行成本。

4、 數據傳輸技術

該系統在數據傳輸過程中，各傳感器不需要實時在線，根據設定的數據傳輸時間，定時連接并傳輸數據，確保數據正常傳輸又節約電量。

5、 數據存儲技術

該系統采集的數據量較大，根據設定的數據采集時間，在數據采集顯示屏報警器上臨時暫存近期數據；在互聯網或家庭其它設備上存放全量數據。隨著使用時間的增長，采集的數據量會越來越大，需要采用數據分離技術對歷史數據進行分離，分離的歷史數據另行存放、單獨查閱。提供對歷史數據的輕量匯總數據的查閱功能。

6、 數據分析技術

對采集的環境因素數據，進行多維度的分析；對環境綜合狀況，建立環境評估的數學模型，對環境狀況進行綜合評估。

7、 靈敏度技術

對傳感器的靈敏度進行設置和評估，對不同設置參數的靈敏度進行評估，找到最佳運行工況的傳感器靈敏度。

8、 噪聲處理技術

對不同傳感器采集的環境因素數據，對異常數據進行噪聲處理，排除非正常的數據，避免噪聲數據對環境監測帶來的不良影響。

9、 信息安全技術

家庭環境監測數據，存在信息安全風險，一是需要啟用無線WiFi設備上的防火墻設置；二是傳入互聯網的數據需要確定其保密方式及保密級別；三是手機APP的影響需要采用信息安全技術；四是涉及重要的信息需要采集特殊的信息安全技術。

三、成本及效益

該系統的硬件設備需要采購（或開發）具備WiFi功能的環境因素探測傳感器、數據采集顯示屏報警器（帶軟件）、手機APP軟件，WiFi設備、手機利舊，投入成本較低。

該系統一旦部署，不但能對家庭環境進行全面監測，而且能對超過閥值的環境因素進行報警，更能夠對整個家庭環境進行綜合評估，確定是否適合居住并給出改善措施。這對于剛剛裝修過的家庭、冬夏門窗常閉環境、低矮通風不暢環境等有較大的應用場景并人們帶來切實的良好體驗，能夠產生較大的社會效益和經濟效益。

四、系統應用

基于WiFi環境下的無線家庭環境監測系統，有著成本較低、組網方便等特點，有著較為廣泛的應用場景，如：

1、 家庭環境監測

家庭環境監測是主要應用場景，可以根據實際需求配置環境監測傳感器的數量，監測重要度不同的環境因素。

2、 倉儲環境監測

根據倉儲環境，選擇不同的環境因素傳感器，監測倉儲的環境。

3、 機房環境監測

企業通信機房、計算機機房，有著較高的環境要求，該系統可以對機房的環境進行監測。

4、 種植大棚環境監測

蔬菜種植大棚，需要對環境進行監測，選擇不同的傳感器，監測蔬菜種植大棚的環境。

五、總結

綜上所述，基于WiFi的無線家庭環境監測系統，系統較為簡單、組網并不復雜、建設周期短、投入成本較低、應用場景廣，一旦建設和投入運行，能夠產生較好的經濟效益和社會效益，有著良好的發展前景，是值得投資建設的一個良好的系統。

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