WiFi網絡技術下家庭環境遠程監測系統的實現

崔斌 李燕

摘? 要： 對于家庭環境中有效組網不方便、布線較為麻煩且移動性較差的問題，提出WiFi網絡技術下的家庭環境遠程監測系統設計。首先，利用STM32F103硬件平臺創建傳感器收集環境數據，通過WiFi模組和云服務器創建連接，對數據進行傳輸。通過Android收集APP和服務器通信得到數據，從而實現遠程實時檢測目的。另外，在室內煙霧或者天然氣濃度超標的時候，利用短信網關技術實現報警短信的發送，提醒用戶及時處理。最后，對設計的系統進行測試。測試結果表明，系統運行穩定，具有功耗比較小、成本低、實時性良好和便于部署等優勢。

關鍵詞： 遠程監測; 家庭環境; WiFi網絡技術; 系統設計; 數據傳輸; 短信發送; 實時通信

中圖分類號： TN948.64?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）14?0013?04

Implementation of home environment remote monitoring system

based on WiFi network technology

CUI Bin， LI Yan

（Nanning Normal University， Nanning 530000， China）

Abstract： In allusion to the inconvenient network formation， troublesome wiring and poor mobility in the home environment， a design of the home environment remote monitoring system based on WiFi network technology is proposed. The sensor is created on the STM32F103 hardware platform to collect environmental data， and the connection between WiFi modules and cloud server is established to transmit the data. The communication data obtained by App and the server are collected through Android， so as to realize the remote real?time detection. In addition， when the concentration of indoor smoke or natural gas exceeds the standard， an alarm? short message is sent to its users by the SMS gateway technology to remind them for the timely processing. The designed system has passed its testing. The testing results show that the system has advantages of stable operation， low power consumption， low cost and good real?time performance， and is easy to deploy.

Keywords： remote monitoring; home environment; WiFi network technology; system design; data transmission; short message sending; real?time communication

0? 引? 言

在信息技術、科學技術不斷發展的過程中，遠程監控系統被廣泛應用到消防控制、智能建筑等行業中，并且逐漸成為社會各個行業安防的重點。目前，國內外已經研發了智能家居、智能小區等內容產品，并且也實現了智能家居產品的開發，比如海爾網絡家電等，廣泛應用到各國家庭中[1]。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們也提出了高要求的生活環境和居住環境，都開始逐漸使用智能家居。為了滿足人們對居住環境的需求，相應研究人員已經開始研究智能家居[2]。基于WiFi技術能夠實現家居環境遠程監控系統設計，使人們的生活體驗需求得到提高。本文分析現代家庭環境遠程監測系統的功能與需求，以此實現基于WiFi的家庭環境遠程監測系統。

1? 系統的構成

圖1為家庭環境遠程監測系統的構成圖，主要包括無線通信模塊、終端節點、GSM模塊、嵌入式系統和智能手機。系統中的終端節點能夠使氣體濃度、煙霧濃度等超過設置閾值信息和水浸、入侵等信息，利用無線模塊對嵌入式系統無線接收端發送[3]。

嵌入式系統為系統核心部分，其為控制程序在ROM中存儲的嵌入式處理器控制板。嵌入式系統一般執行具備特定要求的預定定義任務中的片上計算機，只是對于一項特殊任務，設計人員能夠優化，降低尺寸和成本。其中，具有數字接口設備，包括微波爐、錄像機、汽車、手表等使用嵌入式系統，部分嵌入式系統還具備操作系統，但是大部分嵌入式系統都是通過單一程序使整體控制邏輯得到實現[4]。

2? 系統硬件設計

2.1? 硬件收集和WiFi發送

將STM32F103芯片應用到系統數據收集過程中，使其成為控制的核心設備。AM2301對溫濕度信息進行收集，MQ?2和MQ?4全面監測天然氣與煙霧濃度安全狀態，VC706攝像頭能夠收集訪客的圖像。利用芯片實現收集所有信息的處理，并且發送到Web服務器中[5]，硬件結構詳見圖2。

USR?WIFI232?T模組為一體化IEEE 802.11b/g/n WiFi低功耗嵌入式WiFi模組，能夠有效地集成射頻收發單元、基頻芯片和MAC，其中的嵌入式固件支持WiFi協議和配置。

另外，還具備透傳模式和命令模式，透傳組網方式較為簡單，傳輸速率比較快，并且還能夠實現AT命令的發送，利用HTTP協議實現數據的打包和傳輸，通過PFP文件信息精準的傳輸[6]。

2.2? 溫濕度傳感器

本文設計溫濕度傳感器主要目的是對室內溫濕度信息進行收集，這時的傳感器能夠對溫濕度信號同時收集，實現高精度數字信號的輸出，通過先進傳感技術、收集技術和數字化模塊創建產品，從而降低產品的功耗和體積。

2.3? 煙霧傳感器

利用廚房煙霧的濃度指標檢測煙霧濃度傳感器是否超標，從而避免出現意外的火災情況。煙霧傳感器包括離子式、光電式、氣敏式三種。氣敏式傳感器為三種方式中敏感度最高的，所以采用氣敏式傳感器對煙霧進行均衡[7]。廚房氣體泄露會導致火災出現，通過MQ?2氣敏式煙霧傳感器進行檢測能夠及時發現問題。此煙霧傳感器包括數字開關量輸出與模擬量電壓輸出，通過系統的需求實現數字量的輸出。

簡單來說，假如環境中煙霧濃度高于閾值，模塊實現低電平的輸出;如果濃度和煙霧比閾值低，實現高電平的輸出[8]。

2.4? 紅外發射電路

為了使設計系統成本降低，通過紅外技術控制家用電器，在所有房間中安裝ZigBee終端節點，連接傳感器外接口。利用干電池供電，空調遙控器使用開關量控制，終端節點和空調遙控器的按鍵相互連接，實現遠程控制，利用本地遙控器對空調溫度與開關進行調節[9]。

2.5? WiFi傳感節點

WiFi傳感器節點由傳感器模塊、電源供應模塊和無線電通信模塊構成。傳感器模塊實現SH11與TSL2500等傳感器的集成，以及監測區域信息的收集。此信息為數字信號輸出，不需要A/S轉換。無線傳感模塊使用低功率高集成度SoC芯片，實現傳感節點的處理、存儲與無線收發操作。

電源供應模塊能夠提供傳感節點正常運行的能量，本文利用DC 3.6 V 5號AA電池供電。GS1010SoC芯片利用兩個ARM7處理器，其中一個屬于應用處理器，內部實現FLASH與SRAM等存儲器的集成，外擴兩個GPIO，I2C，ADC等接口，實現傳感器收集數字與模擬信息的接收[10]。

3? 系統軟件設計

3.1? ZigBee網絡協調器節點

使用T1公司半開源Zstack協議棧，使研發周期縮短，提高系統的穩定性。協調器節點程序設計包括應用層軟件開發與協議棧配置。

圖3為協調器程序流程圖。本文使用雙向綁定方法，由于綁定只在發起綁定一方創建，被綁定方不知道綁定方綁定地址，所以使用雙向綁定，使終端節點與協調器雙向通信得到實現[7]。

因為具有多個終端節點，所以使用順序綁定方法。先對綁定節點1進行設置，成功之后實現綁定節點2的設置，以此類推到綁定全部終端節點。在函數void zb_BindConfirm中，標志位count綁定協調器到終端節點之后，就會增加1，對綁定終端節點進行記錄。利用if語句設置終端節點綁定事件，綁定工作完成[11]。

3.2? 上位機設計

服務器端上位機軟件通過C++和MFC語言編寫，對WiFi模組發送數據進行監聽，為服務器和WiFi相互通信橋梁，包括數據處理、端口監聽和用戶界面。用戶界面能夠將WiFi和服務器連接情況與所收集的數據進行展現，將是否成功保存數據展現。

利用套接字，使端口監聽部分監聽網絡端口，通過監聽得到網絡數據包請求到達，創建套接字和數據包的連接[12]。

數據處理利用解析和解包實現數據處理和分類保存，在實現WiFi發送數據過程中，將0Xdd0X01添加到數據包中，表示天然氣、溫度值和延誤等傳感器數據，0Xcc0X01對圖片數據進行標識，對數據精準地進行處理。

上位機在啟動云服務器之后能夠監聽WiFi客戶端的連接請求，等待數據接收與處理[13]。

3.3? 服務器數據監測

此部分包括數據處理、數據庫接口、Web接口與命令發送接口，在Web接口發現網絡屬性請求修改的時候，將修改屬性命令發送給傳感器網絡。使封裝數據對Web接口發送，對數據請求進行響應，實現數據收集數據庫的存儲操作，并且記錄日志，接收Web接口發送的數據庫索引請求提取數據對Web接口，封裝相應信息。

啟動服務器之后等待客戶端請求，客戶端將請求對服務器發送，服務器接收請求并且對請求類型判斷，主要請求類型包括控制WSN命令、歷史記錄查詢、室內環境的實時監控等。在服務器實現客戶端請求室內環境實時監控接收時，服務器利用Socket對WSN數據包進行監聽。如果監聽失敗，繼續監聽;假如成功監聽，對數據進行解析，解析之后數據包對客戶端反饋，實現數據庫寫入。在實現其他類型請求接收的時候，服務器以不同請求進行處理，服務器使處理后結果對客戶端反饋。如果實現服務關閉命令的接收，退出服務。

4? 測試結果

本文設計在灰度濃度檢測過程中，使用兩套方案，第一種為正常測量灰塵傳感器，第二種為添加卡爾曼濾波算法灰塵傳感器測量。灰塵傳感器模塊在工作過程中使外界溫濕度、振動、風速導致的偶然誤差降低，提高整體系統收集數據的穩定性。兩套方案使用相同單片機、時間和參數。圖4為智能家居WiFi監控的界面。

瀏覽器端調試包括本地服務器開啟操作與瀏覽器整體界面的UI顯示。為了提高用戶體驗，在設計過程中，使用多種過濾樣式，使人們交互感得到提高[14]。

5? 結? 語

本文將設計的遠程監控系統應用在家庭環境中，不僅能夠對房間溫濕度狀態進行監測，還能夠對家中空調、加濕器的開關進行控制，以此對溫濕度進行調節，創建舒適良好的環境。另外，傳感器能夠對煙霧濃度是否超標進行檢測，利用人體紅外模塊實現家庭的安防。此系統已經開始部署和使用，效果良好，能夠滿足用戶的使用要求。

注：本文通訊作者為李燕。

參考文獻

[1] 李冶，胡萬德.基于物聯網技術的家庭智能養魚澆花系統設計[J].金陵科技學院學報，2017，33（2）：89?92.

[2] 王驥，謝仕義，錢建東，等.基于網絡機器人的遠程室內安防新方法[J].電子器件，2017，40（1）：199?206.

[3] 徐軍，楊帆，樸金寧，等.室內環境參數遠程監測系統設計[J].電子技術應用，2018，44（2）：48?51.

[4] 鄭旭，顏孟凡，王娟娟，等.基于Arduino的遠程環境監測系統的實現[J].中國新通信，2018，20（13）：35.

[5] 于婷婷，朱龍圖，閆荊，等.農田環境信息采集與遠程監測系統[J].中國農機化學報，2016，37（6）：220?225.

[6] 張秀再，范江棋，陳彭鑫，等.基于WiFi的樓宇環境監測系統[J].現代電子技術，2016，39（6）：86?88.

[7] 張雄，劉斌，王簫揚，等.基于OneNET云平臺的智能家居系統實現[J].電子制作，2018（15）：33?35.

[8] 武一，馬樹宇.基于ZigBee與ARM的遠程監控系統設計與實現[J].電子設計工程，2014，19（11）：114?117.

[9] 馬永杰，黃松茂.基于WiFi網絡的家庭環境遠程監測系統設計[J].測控技術，2017，36（12）：102?104.

[10] 蔣昌茂，劉洪林，梁潤華.基于ZigBee、WiFi無線傳感網絡的智能家居環境監測系統的研究與實現[J].科技與創新，2018，21（1）：45?48.

[11] 魏華.互聯網環境下遠程學習者學習力的提高策略[J].大眾科技，2016，18（3）：113?114.

[12] 鄭旭，顏孟凡，王娟娟，等.基于Arduino的遠程環境監測系統的實現[J].中國新通信，2018，20（13）：35.

[13] 劉雄飛，陳浩，聶偉，等.基于MT7623A的遠程室內環境監測系統設計[J].傳感器與微系統2018，12（8）：79?81.

[14] 呂新遠，夏銀飛，尹盛，等.基于Arduino的智能家居環境遠程監控系統設計[J].信息與電腦（理論版），2017，23（5）：84?86.

[15] 黃雋.基于STM32的家庭環境監測系統的設計與制作[J].數字技術與應用，2017，15（3）：188?189.

[16] 辜勇，胡澤旭，于蒙，等.基于ZigBee技術的海運冷藏集裝箱實時監測系統設計[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2018（4）：396?400.

[17] 曹建波，石麟，江孝琪，等.基于MFC的接觸網殘壓遠程監測系統設計與研究[J].浙江師范大學學報（自然科學版），2017（4）：386?391.

[18] 楊曉杰，侯定貴，王嘉敏，等.南芬露天鐵礦下盤高陡邊坡穩定性分析與監測預警技術研究[J].采礦與安全工程學報，2017（5）：1000?1007.

[19] 王書滿，邊志鑫.基于LabVIEW的帶式輸送機遠程監測診斷系統[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2016（5）：78?81.

[20] 李茜，王延年.基于普通銑床數控化的S7?300 PLC遠程監控和故障診斷系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2015（2）：49?52.