物聯(lián)網(wǎng)智能生態(tài)康養(yǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究設計

王 興，衛(wèi)玲芝，楊 柳

(1.太原科技大學 計算機科學與技術學院，太原 030024；2.河南財經(jīng)政法大學 計算機與信息工程學院，鄭州 450036)

0 引言

科技發(fā)展日新月異，智能家居的出現(xiàn)為人們提供了各式各樣的便捷服務。2020年5月28日《中國智能家居生態(tài)發(fā)展白皮書》發(fā)布，智能家居進入AIoT賦能期。根據(jù)CSHIA前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理數(shù)據(jù)得，2019年終端用戶傾向的智能家居控制方式最高的是智能面板，高達48%。在物聯(lián)網(wǎng)[1]大時代背景下，結合當前人們對于居住環(huán)境宜居性的考慮，設計了一種智能生態(tài)環(huán)境康養(yǎng)系統(tǒng)。在我們日常生活中，溫度過高或者過低都會對人體造成一定的不良影響。當溫度過高時，人體中松果腺體分泌出的松果激素量增大，使得體內甲狀腺素和腎上腺素的濃度降低，人就會感覺到精神萎靡不振。長時間在濕度較大的地方生活、工作，很容易得風濕?。划敋鉁剡^低時，蒸發(fā)加快，人體的水分容易被干燥的空氣吸收掉，就會使得皮膚干燥，影響鼻腔粘膜。尤其是在秋冬季節(jié)，天氣寒冷干燥，呼吸系統(tǒng)疾病頻發(fā)。此外，負氧離子濃度也是環(huán)境好壞的重要標準之一，它不僅有利于我們的身心健康，對神經(jīng)系統(tǒng)、大腦皮層等也有一定的調整功能。而當前市面上傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測儀檢測指數(shù)不全面，傳感器集成性較低，功能較為單一，靈活性和智能化程度也不高。因此，針對家庭中家居智能化的問題，本系統(tǒng)利用友好的用戶圖形交互界面實現(xiàn)了對室內環(huán)境的實時監(jiān)控、智能控制負氧離子發(fā)生器、水電暖控制器、加濕器等設備的啟動關閉等功能，并將采集到的數(shù)據(jù)實時反饋到云服務器，通過云端來對整個數(shù)據(jù)進行存儲、處理、交互。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)組成

智能生態(tài)康養(yǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的3層基本架構設計：感知層由多個傳感器組成，檢測各項環(huán)境參數(shù)；網(wǎng)絡層由微型平板電腦以及服務器管理軟件等組成；應用層主要由多個節(jié)點組成。系統(tǒng)結構原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構原理圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

首先，控制器平板電腦向控制器主板電路發(fā)送指令協(xié)議，判斷傳感器連接是否正常。若傳感器連接正常，將信息反饋至平板電腦，平板電腦發(fā)送指令啟動傳感器采集室內環(huán)境信號，控制電路板接收到傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息之后，繼續(xù)反饋給平板電腦，并將這些信息儲存在電腦數(shù)據(jù)庫中。將數(shù)據(jù)庫中的信息與系統(tǒng)中設置的環(huán)境參數(shù)閾值進行比對，當檢測到某一項環(huán)境參數(shù)值不在閾值范圍內時，將信號發(fā)送到局域網(wǎng)中，平板電腦通過Wi-Fi與路由器連接，路由器收到信號通知相應節(jié)點，從而控制相應設備的開啟/關閉。同時，路由器通過Wi-Fi或者以太網(wǎng)向云服務器發(fā)送指令反饋信息，通過云服務器[2]可以對整個控制器和設備進行實時監(jiān)控以及控制。系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制器設計

控制器是整個系統(tǒng)的核心，它將觸摸屏、主控電路板、電源模塊、天線、Wi-Fi模塊、傳感器單元等集成在一起。首先，傳感器單元采集[3]到模擬信息量以后，先通過電壓跟隨器提高[4]采集信息的精度，再利用內部數(shù)模轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號，通過設置好的指令發(fā)送給主控電路板，此時屏幕上可顯示多個傳感器單元采集到的環(huán)境參數(shù)信息以及廣告宣傳信息。控制器可通過Wi-Fi接口、RJ45以太網(wǎng)接口兩種通信接口進行數(shù)據(jù)傳輸。當采用Wi-Fi模塊傳輸時，控制器上的天線接收到電磁波信號，進入濾波器和低噪聲放大器，將信號送入到Wi-Fi芯片內，經(jīng)過處理之后，信號傳輸給控制器主板。采用RJ45以太網(wǎng)接口進行數(shù)據(jù)傳輸時，根據(jù)規(guī)定的網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)送相應的數(shù)據(jù)包?？刂泼姘逋ㄟ^與節(jié)點通信，控制室內環(huán)境設備。控制器如圖3所示。

圖3 控制器示意圖

2.2 節(jié)點設計

本系統(tǒng)中的節(jié)點與設備相連接，根據(jù)接收到的指令信息控制設備開關。要實現(xiàn)智能化，必須遵循統(tǒng)一的網(wǎng)絡協(xié)議。智能家居的節(jié)點控制[5-6]模塊包含多種類型，多個模塊被連接在一條總線上，本系統(tǒng)使用的是繼電器開關控制模塊，有兩種類型的繼電器可供使用，一種是2 A繼電器隔離觸點，可連接負氧離子發(fā)生器、臺燈、風扇等功率較低的電器設備；另一種是10 A繼電器隔離觸點?？蛇B接空調、冰箱、電暖等功率較大的電器設備。Wi-Fi節(jié)點如圖4所示。

圖4 Wi-Fi節(jié)點示意圖

為了增加對節(jié)點控制設備的時效性，提高節(jié)點的控制效率，本系統(tǒng)采用了一種節(jié)點控制方法。該方法首先要對每一個目標標識對應的待支配節(jié)點設置時間閾值，向當前支配節(jié)點發(fā)送支配指令，支配指令的作用是控制當前待支配節(jié)點的自動開啟和待機。接著要確定支配時間，支配時間具體表現(xiàn)為指令發(fā)送的時刻到當前時刻的時間間隔。當支配時間與設定的時間閾值相等時，開始判斷，若當前待支配節(jié)點完成開關機命令，則繼續(xù)接受外部指令。

2.3 通信指令設計

針對室內環(huán)境較為復雜、控制器與被控制節(jié)點之間距離較遠的問題，為了使傳輸指令、連接節(jié)點增加更加方便，本系統(tǒng)采用無線通信技術取代有線[7]傳輸，將控制器以及由其控制的節(jié)點構成無線局域網(wǎng)絡。

云服務器與控制器之間通過以太網(wǎng)光纖進行信息傳輸，采用全雙工通信，將控制器的操作信息及設備信息等信息上傳至云端。當云服務器發(fā)出指令信息時，控制器給出相應反饋。當設備出現(xiàn)故障或者被測環(huán)境參數(shù)超出限定值，控制器會向云服務器發(fā)送指令，云服務器自動記錄信息。

本系統(tǒng)采用IEEE 802.11協(xié)議作為無線局域網(wǎng)內部通信協(xié)議。服務器與控制器之間、控制器與節(jié)點之間通過相應的信息指令進行數(shù)據(jù)通信，信息指令的內容如下：

1)服務器監(jiān)控控制器和節(jié)點狀態(tài)，設備發(fā)生故障時，控制器向服務器發(fā)送報警信息。

2)控制器監(jiān)控節(jié)點狀態(tài)，被測環(huán)境參數(shù)超過限定值時對節(jié)點發(fā)送控制指令。

系統(tǒng)主要的指令數(shù)據(jù)幀的格式為：

發(fā)送指令：起始字符+IP+功能碼+結束字符

反饋指令：起始字符+IP+功能碼+“OK”+結束字符

例1：服務器監(jiān)控控制器的狀態(tài)

發(fā)送指令：Chr(&H1B) & “192.168.126,101" & "2" & Chr(&HA)

反饋指令：Chr(&H1B) & "192.168.126,101" & "2" & “OK” & Chr(&HA)

例2：控制器關閉節(jié)點

發(fā)送指令：Chr(&H1B) & "192.168.137,101" & "0" & Chr(&HA)

反饋指令：Chr(&H1B) & "192.168.137,101" & "0" & “OK” & Chr(&HA)

表1 指令數(shù)據(jù)幀的格式

2.4 自適應環(huán)境算法

本系統(tǒng)采用多參數(shù)自適應算法調節(jié)環(huán)境參數(shù)，通過采集室內溫度、濕度、PM2.5等多個環(huán)境參數(shù)，對獲取到的這些環(huán)境參數(shù)值建立一種相關函數(shù)聯(lián)系，使得每個環(huán)境參數(shù)的控制策略與其他環(huán)境參數(shù)控制策略之間形成閉環(huán)關聯(lián)關系，實現(xiàn)多環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)一調節(jié)，實時調節(jié)設備使環(huán)境更為適宜。

1)對所有傳感器采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進行遍歷，建立傳感器彼此之間一一對應的相關函數(shù)。

2)控制器根據(jù)每個環(huán)境參數(shù)，單獨設置默認的控制策略。

3)根據(jù)相關函數(shù)計算每個環(huán)境參數(shù)默認的控制策略對其他環(huán)境參數(shù)的影響。

4)根據(jù)不同環(huán)境參數(shù)彼此之間的控制策略關系，對這個環(huán)境參數(shù)控制的策略通過公式(1)進行修改，然后將修改后的控制策略重新排列組合，完成當前環(huán)境的控制策略。

(1)

2.5 智能控制技術

專家系統(tǒng)是包含專業(yè)技能和推理的一套智能[8]的高效計算機程序，它能夠有效地運用專家多年積累的有效經(jīng)驗和專業(yè)知識進行推理判斷進行[9]控制。專家系統(tǒng)通常由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等6個部分構成。智能生態(tài)康養(yǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中主要運用專家系統(tǒng)對設備故障監(jiān)測與報警、網(wǎng)絡故障、環(huán)境參數(shù)報警方面進行智能控制。

知識庫用于存放專家的專業(yè)知識，專家系統(tǒng)中問題的決策處理都是通過知識庫內的專業(yè)知識進行推理。因此知識庫是衡量專家系統(tǒng)質量優(yōu)劣的關鍵。系統(tǒng)采用產(chǎn)生式規(guī)則知識表示形式建立專家系統(tǒng)，基本格式是：IF條件THEN結論。推理機針對當前問題的條件，反復對知識庫中的規(guī)則進行搜索，尋找更好的解決方法。智能生態(tài)康養(yǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用專家系統(tǒng)實現(xiàn)對設備的[10]智能控制，能夠實時處理各種突發(fā)的專業(yè)問題。

下面展示發(fā)生異常事件時，專家系統(tǒng)對問題的決策。

IF (環(huán)境參數(shù)超限)

THEN (環(huán)境異常！對控制器狀態(tài)進行檢查)

ELSEIF(控制節(jié)點失靈)or(節(jié)點通信故障)

THEN (網(wǎng)絡故障！對節(jié)點的狀態(tài)以及網(wǎng)絡狀態(tài)進行檢查)

ELSEIF(控制器狀態(tài)異常)

THEN (設備故障！對控制器進行檢修)

END IF

3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)既要便于環(huán)境信息的監(jiān)測，又要方便用戶的使用，利用友好的人際交互界面實現(xiàn)對此監(jiān)控系統(tǒng)的操作。對于該系統(tǒng)的上位機來說，充分考慮了用戶的易操作性，設置了監(jiān)控界面、動態(tài)宣傳、控制策略、系統(tǒng)檢測[11]、參數(shù)設置、用戶管理等多個模塊，使用戶可根據(jù)控制系統(tǒng)的提示界面進行操作，從而實現(xiàn)相應的功能。監(jiān)控界面模塊由日期、環(huán)境參數(shù)、設備狀態(tài)、當日信息、動態(tài)曲線、功能按鈕等部分組成。在本模塊中，可以顯示當前的日期，記錄系統(tǒng)的日志信息，監(jiān)控負氧離子、溫度、濕度、甲醛、PM2.5等環(huán)境參數(shù)信息，同時記錄數(shù)據(jù)，自動生成相應的折線圖，還可對當前的設備狀態(tài)進行手動控制。動態(tài)宣傳模塊在監(jiān)控環(huán)境信息的同時還可以顯示宣傳廣告、報警信息[12]等?？刂撇呗阅K中，用戶可以根據(jù)自身的需求調節(jié)并設定濃度值以及選擇手動控制模式或者自動控制模式，實現(xiàn)設備的智能化控制，同時此模塊還可以根據(jù)環(huán)境需要提供1～10個擴展控制設備。系統(tǒng)檢測模塊用來檢測各傳感器以及設備的故障問題，并顯示結果，以便用戶及時對設備進行維護。參數(shù)設置模塊完成對網(wǎng)絡設備的無線連接，對設備名稱、IP地址、網(wǎng)絡服務器等參數(shù)進行設置。用戶管理模塊可供使用者進行添加、刪除、操作限制等操作。系統(tǒng)軟件模塊如圖5所示。主監(jiān)控模塊如圖6所示。控制策略模塊如圖7所示。

圖5 系統(tǒng)軟件模塊圖

圖6 主監(jiān)控模塊

圖7 控制策略模塊

4 實驗結果與分析

實驗分為環(huán)境監(jiān)控測試和自動控制測試兩部分。

環(huán)境監(jiān)控測試在同一室內測試環(huán)境下，分別在一天當中選取早、中、晚3個時間段檢測一周之內的溫度、濕度、負氧離子濃度3項環(huán)境參數(shù)的變化情況。如圖8所示，曲線基本上呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的趨勢。

圖8 環(huán)境監(jiān)控測試

自動控制測試以加濕器設備為例，在同一測試環(huán)境中，檢測在濕度變化的條件下，加濕器自動控制的問題。預設加濕器設備開啟的濕度為40%，當濕度達到40%時，加濕器自動開啟。如9(a)所示，當前濕度為74.5%，高于預設值40%，故加濕器的設備狀態(tài)為關閉狀態(tài)；如9(b)所示，當前濕度為29.9%，低于預設值40%，因此加濕器的設備狀態(tài)為開啟狀態(tài)。

圖9 自動控制測試

5 結束語

本系統(tǒng)跟隨科技發(fā)展的新形勢，在物聯(lián)網(wǎng)[13-14]的大背景之下，旨在為用戶提供一個更加健康舒適的生活環(huán)境的同時便捷用戶的生活。本文通過VisualBasic6.0編程實現(xiàn)，通過指令設計、調度，將各項功能集成在面板按鈕上，利用友好的人機交互界面，實現(xiàn)了對環(huán)境的智能監(jiān)控以及對設備的智能控制。給用戶提供了更直觀的感覺，實現(xiàn)用戶對設備的操控，操作簡單，方便理解。