基于物聯網技術的智慧家庭監測系統設計

吳 迪

（河南物流職業學院信息工程學院，河南 鄭州 450003）

互聯網信息技術的快速發展，有效推動了人工智能技術、大數據技能等各項技術的發展，并逐漸延伸到人們生產生活的各個方面，將物聯網技術應用于家居用品的設計之中也成了當前物聯網技術發展的重要趨勢。在物聯網技術的加持之下，通過智慧家庭監測系統，用戶可以通過手機小程序APP 實現對于家居設備的集成管理與可視化查看，真正實現“萬物互聯”，不僅給人們提供了便捷的生活服務，而且也給改善未來的家居環境提供了重要思路。

1 智慧家庭監測系統設計建設的必要性

隨著物聯網技術的快速發展，推動物聯網技術與智能家居系統實現融合發展、改善人們的生活質量已經成為當前物聯網技術發展的重要趨勢之一。智能家居系統的設計主要是將家庭環境中各種通信設備、智能家電以及家庭安保裝置連接到一個智能化的數據控制中心，來實現對家庭情況的全面掌握。智慧家庭監測系統主要是將物聯網技術應用到監測系統之中，構建對于家居環境的一體化監控網絡，能夠實現對家庭環境數據信息采集、實時監測、信息傳輸、預警處理等多項操作，有助于為家庭成員提供科學的、智能的決策服務。

一般而言，基于物聯網技術的智慧家庭監測系統設計總共分為三層架構，自上而下分別是應用層、網絡層和感知層。

1.1 感知層

首先，要想對家庭情況實現全面、智能的監測，就要對家庭情況進行全面掌握。感知層的設計主要是完成對家庭環境數據的全面采集，并且能夠定時、定點地對家庭環境中某一特點的參數樣本進行分析，以此來發現家庭環境中存在的安全隱患。利用射頻識別技術、攝像頭、傳感器、報警器等全面感知和獲取家庭內部信息，并實現全天候的、對于家庭信息情況的獲取和采集。在智慧家庭監測系統的監測過程中，物聯網技術所要服務的對象主要是家庭成員，它除了對家庭成員的指令有所反應之外，還應該根據家庭環境的變化進行智能化的操作。例如，溫度傳感器能夠對家庭環境中的內部溫度進行感知與監測，一旦溫度較高就會及時進行預警；而煙霧報警器則會在家中出現燃氣泄漏、發生火災時進行及時的預報警處理，以有效避免更大危險的發生[1]。

1.2 網絡層

在智慧家庭監測系統的建設過程中，還必須與多個方面的網絡技術融合，包括家庭監測系統中的網絡安全管理中心以及平臺操控中心。當感知層感受到家庭情況的變化之后，平臺管理中心能夠對這些家庭信息進行分析和處理，這也是家庭監測系統智能化的根本原因。同時，在智慧家庭監測系統的建設中，網絡層不僅僅是要保障智慧家庭監測系統的正常運行，更重要的是能夠對家庭內部發生的信息進行分析和預處理，并為家庭成員提供科學合理的解決對策，便于其參考。

1.3 應用層

應用層是指將物聯網技術與智慧家庭監測系統兩者進行有效連接，就是將監測設備所監測到的信息通過各種移動終端進行傳輸，幫助用戶全面了解家庭情況信息，并幫助用戶實現判斷和預處理。而通過數據可視化技術，用戶可以通過小程序APP 了解家庭環境的狀態，并能夠通過收集到的各項數據信息挖掘數據之中蘊含的深層價值，幫助人們實現智能生活。

2 物聯網技術在智慧家庭環境監測系統設計中的制約因素

2.1 物聯網技術標準不規范

當前，我國物聯網技術標準存在不標準、不完善的情況，缺乏標準化的網絡應用和普及。

首先，受我國環境因素的影響，各地區家庭環境監測體系行業標準較為復雜，在智慧家庭環境監測系統設計過程中，很容易出現重復監測、監測數據不標準的情況，造成了相應的數據資源浪費。因此，只有促進行業標準規范化，并加快對于智能家庭環境監測系統的設計研發，才能夠充分發揮物聯網技術的優勢，使得物聯網技術在智能家居環境的應用中更加具有普適性，適應不同地區、不同家庭對于家庭環境監測的個性化要求。

2.2 無法滿足用戶的具體要求

當前，我國智能家庭環境監測系統的監測能力有限，并且隨著使用年限的增長很容易發生精確度降低、傳感器靈敏度降低的情況。在初期智能家庭環境監測系統的設計中，所采用的傳感器等設備功能往往較為簡單，對于家庭環境的監測能力以及監測精度有限，而且各個系統的運行時間容易受到影響，難以滿足智慧家庭環境監測系統的全面應用要求[2]。而在現有的智能家庭環境監測系統中，也存在信息資源難以整合、家庭數據信息安全風險等問題，無法實現大規模的普及應用，也無法滿足用戶的個性化要求。

2.3 缺乏足夠的人力資源支撐

在智能家庭環境監測系統設計中，除家庭成員能夠實現對家庭情況信息的了解之外，還應該涉及小區物業以及社區消防中心，以便當家庭情況出現異常而家庭成員卻有一定的疏忽時，其余人員能夠及時進行報警處理，進而更好地保障家庭安全，這就需要有專業的環境監測從業人員以及物聯網技術綜合素質人員。但是當前，我國環境監測技術并未大規模向智能家居服務行業進行普及，小區物業人員的技術能力有限，缺乏專業的知識和操作能力，大部分智慧家庭監測系統的應用僅僅停留在“監測”方面，不能夠有效發揮智慧家庭監測系統在預警信息、事故處理等方面的作用。

2.4 監測系統數據無法共享

在智慧家庭數據監測系統中，感知層和應用層每天都會產生大量的家庭數據信息，但是家庭數據監測信息卻無法實現共享，無法進行資源的有效整合和統籌安排，也無法利用海量的數據信息為進一步智能家居的設計以及家庭監測系統的升級提供科學的參考依據。

3 監控系統整體模塊的設計

3.1 設計思路

智能家庭監測系統的設計，必須秉承智能化、人性化的設計理念對智慧家居進行創新設計，從而對家庭環境監測系統進行更為清晰的模塊化管理。整個智能家庭監測系統的運行流程主要是：傳感器主動收集家庭環境中的各種信息，如溫度、濕度、煙霧、火焰等特殊情況信息，并將這些信息上傳至網絡數據平臺，數據平臺能夠將這些數據信息同步至家庭成員的手機客戶端，方便用戶能夠隨時隨地查看家庭中的各種環境信息。當家庭環境發生異常情況時，也能夠做到及時通知用戶并進行預處理，防止其他危險情況的發生。從此來看，智能家庭監測系統運行流程一共分為兩個階段，主要是監測端和數據采集端。在監測端通過與網絡數據平臺以及家庭成員的移動終端相聯系，進行數據的分析、管理和收發；而在數據采集端，則主要是利用各種傳感器與控制主板相連接。當控制主板接收到傳感器采集到的信息之后，會自動轉化成數據，通過無線網絡實施傳輸，從而達到相應的監測效果[3]。

3.2 硬件設計

智慧家庭監測系統應該具有不同的功能，以便對家庭中發生的所有情況進行針對性的監測和分析。就硬件而言，主要分為溫濕度采集模塊、煙霧監測模塊、人體紅外線感應模塊、無線收發模塊以及GSM 模塊等。

3.2.1 溫濕度采集模塊

在智慧家庭監測系統的設計過程中可以采用DHT11作為室內溫濕度傳感器。這種傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，靈敏度高，抗干擾能力較強，能夠使用戶獲得較為精確的數據信息。

3.2.2 煙霧采集模塊

煙霧傳感器可以采用MQ-2 型煙霧傳感器，這屬于二氧化錫半導體氣敏材料。MQ-2 型煙霧傳感器對于液化、天然氣等易燃氣體都具有良好的監測效果。在正常的家居環境中，該傳感器的導電率較低，但是隨著空氣中的可燃氣體濃度逐漸升高，傳感器的導電功率也會隨之變大，并啟動單片機的ADC 對模擬電壓輸出端輸出的模擬電壓信號進行處理，當中央控制系統接收到電壓信號之后，就會用相應的共識來將所監測到的電壓數據轉化為可燃氣體的體積分數信號，當分數信號超過一定值時，便會進行報警和預處理。

3.2.3 人體紅外感應模塊

人體紅外感應模塊主要是對家庭中出現的人員進行攝像記錄。在智慧家庭監測系統的設計中，可以采用HC-SR501 人體紅外感應器。這款人體紅外感應器靈敏度較高，但家庭環境發生變化時，會自動進行記錄，可靠性強，并且也可以在超低電壓的狀態下工作。在對家庭環境的監測中，一旦有人進入HC-SR501 人體紅外感應的監測范圍，傳感器感應模塊就會輸出高電平，進而對人在家庭環境中的行為進行監測和記錄，而當人離開HC-SR501 人體紅外感應的監測范圍時，傳感器會進行自動延時，輸出點的電平也會逐漸由高變低，直至恢復初始工作狀態。

3.2.4 無線收發模塊

通過使用無線收發模塊，能夠使家庭環境內多個單片機組合成為一個功能更加完整的環境數據監測系統，同時從不同的位置、不同角度采集家庭中的環境數據信息，進而使獲得的家庭環境數據信息更加全面。在本設計中，采用的是NRF24L01 單片射頻收發芯片，其擁有自動應答和自動發射的功能，用戶也可以通過程序來配置通信頻道和輸出功率，實現個性化的家庭監測服務。

3.2.5 GSM 模塊

GSM 是全球移動通信系統的簡稱，幾乎遍布全球的各個角落，應用范圍相當廣泛。在智能家居設計中許多安全方面的設計都會應用到GSM 系統。通過GSM 系統，能夠將家庭情況利用短消息的形式發送給家庭成員，實現對家庭環境的實時監控。

3.2.6 軟件設計

通常來講，MQTT 是一種基于發布、訂閱模式的輕量級通信協議，也就是從數據的發出節點（傳感器）接收到數據信息之后，再傳輸給訂閱者節點（用戶）。當客戶端連接建立后，可以同時訂閱一個或者多個主題的數據信息。在智慧家庭監測系統的設計之中，各類傳感器便是數據信息的發布者，將家庭環境中實時監測到的數據信息通過MQTT 協議傳送至服務器中，通知訂閱者也就是家庭成員進行查閱，而家庭成員則通過手機APP 或者WEB 端實現對家庭數據信息的可視化查看[4]。

4 基于物聯網技術的智慧家庭監測系統客戶端設計

4.1 移動客戶端界面設計

一般而言，用戶往往習慣通過手機小程序APP 來實現對家庭情況的遠程監控。而手機APP 中嵌入的控制器能夠作為客戶端與家庭中的云服務器進行連接，實現家庭智能監測系統與用戶之間的信息傳輸，方便家庭成員對家庭環境中的一些設備進行遠程操控。在客戶端的界面設計中，當家庭情況出現異常時，也會做出預警和處理。例如，當家庭環境中監測到氣體或者火焰情況時，會給用戶發送相應的報警信息，并自動分析可能造成的風險隱患，為用戶提供科學化、智能化的決策作為參考，而用戶則能夠在智能監測系統的提醒之下，通過手機客戶端選擇打開風扇、報警等操作行為，降低家庭安全風險。

4.2 WEB 端界面設計

WEB 端界面設計實質上是為了能夠實現對小區住戶、社區住戶家庭安全情況的數據統籌。在對家庭情況進行監測的過程中，如果家庭成員未能夠對家庭中出現的異常情況進行及時處理，而利用WEB 終端小區物業、消防中心等也可以實現對所在區域家庭情況的完全掌握，并進行同步監測[5]。在WEB 端界面設計過程中，用戶可以注冊并登錄網絡安全管理中心，構建屬于自己的智慧家庭監測界面，實時了解家庭中的情況。同時利用WEB，重點小區物業或者消防中心可以創建多個用戶，同時進行實時監測，如若小區內某個住戶家庭出現異常情況，后臺控制中心便會自動報警以及相應的指示燈閃爍，在管理人員后臺的WEB 端頁面也會實現對家庭安全狀態以及監測的各項數據，方便管理人員對可能發生的危險情況做出準確判斷。

5 總結

基于物聯網技術設計的智慧家庭監測系統，能夠對家庭環境中的溫濕度信息、火焰氣體信息、陌生人信息等進行全方位的分析，并將運行系統與物聯網云平臺相連，當家庭情況出現某種異常時，無論是家庭用戶還是小區物業、社區消防中心都能夠在第一時間獲得完整的家庭情況信息，進而采取科學合理的解決方案，避免更大的災情發生。