基于物联网的智能家居环境监控系统的设计与分析

摘 要：物联网的问世，打破了传统的“硬件与软件分离”的思维，在各行各业都有很大的发展前景。近年来，随着人们的生活质量不断提高，人们对于生活质量的追求也越来越高，家庭生活是很重要的一部分。本文提到的智能家居系统主要针对室内环境，提出了一种物联网与家庭生活相结合的新思路，即集监测、分析、显示、控制为一体的家居环境监控系统。在“互联网+”时代，与物联网结合的智能家居系统具有巨大的发展前景。

【关键词】物联网 传感器 环境监测 室内环境 数据采集 云服务器

物联网的问世，打破了传统的“硬件与软件分离”的思维，把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，以实现智能化识别与管理。目前，我国主要将物联网技术应用于城市运行管理、公共安全、城市交通等领域，在家居生活方面应用不是很广泛。

科技的进步，互联网的发展，改变了人们传统的生活方式。现在足不出户便可安排任何事情，人们在封闭环境的时间自然也大幅增加，大部分人70%-90%的时间是在室内度过的，因而室内空气问题比室外空气污染对人体健康的影响更大。

然而，这种市场背景下，目前已经推出的室内环境质量监测产品功能较为局限，大多数产品只拥有单一的监测功能，缺少对于数据的分析以及由此衍生出的个性化推荐服务，部分产品虽然做到了监测与数据分析，但是产品本身却局限于“监测”，无法真正做到改变室内空气糟糕的现状。因此，一款集室内环境指数监测、数据分析以及个性化推荐服务甚至联动空气净化器于一体的“智能”监控解决方案需求明显。

同时，随着“互联网+”概念的深入发展，互联网+家居环境监控是发展的必然趋势。因此笔者结合物联网，设计了一款帮助居民对室内环境高度认识以及重视的具体应用，命名为“我爱我家”。

1 功能设计

“我爱我家”项目是在“互联网+”时代的大背景之下，以物联网技术为基础，融合智能家居的概念，提出的基于室内环境智能监控的物联网解决方案。本项目通过设计系统实现实时收集并发布用户比较敏感的室内环境指标：温度、湿度、PM2.5，使得用户家中环境指标清晰可见，能够及时提醒和建议用户采取相关措施捍卫家中环境健康，并提供由此而衍生出的一系列服务，以帮助用户达到真正的“我爱我家”。系统包括硬件数据采集端、云端服务器、移动终端APP组成。移动端的主要功能如下：

1.1 室内空气质量的实时数据和预测数据展示

用户可以随时在移动端观察到室内空气质量的实时数据，以及下一时刻或者下一天的某一时刻的室内环境指数的预测值。

1.2 设备联动

设备联动功能只有在硬件监测设备和空气净化器或者空气加湿器绑定在一起时才会生效。当室内环境指数趋于异常时，云端会立即识别指数异常并向移动应用端发送异常信息，此时用户可以根据提示直接控制与数据硬件监测设备联动的空气净化器或者空气加湿器。

1.3 提醒与推荐

例如，在冬季，如果监测到某一用户家庭室内温度经常保持在25℃以上，并且室内湿度较低，此时用户可能并没有意识到所处环境的危害性，但是“我爱我家”云端服务器通过对数据的分析早已察觉，便会向用户发出“警报”， 告之用户此时所处环境的危害，并且有针对性的推荐与之配套的可以联动的空气加湿器等相关产品。

1.4 排名

“我爱我家”云端服务器数据处理中心会根据基于灰色关联度的室内环境综合状况模糊分析模型对所采集的每个家庭用户的室内环境指数（以周为单位）进行评分。移动应用端则会显示出本周排名前十的用户昵称以及得分。

1.5 社交分享

用户可以在“我爱我家”的移动端应用内部分享自己居家清洁的妙招或者心得体会。

2 设计思路

“我爱我家”项目以用户比较敏感的室内环境指标：温度、湿度、PM2.5为基础来实时分析室内环境质量。它主要由三个部分构成，包括硬件数据采集端，云端数据存储与分析以及移动应用端。

硬件数据采集端主要负责实时收集并传输室内环境指标参数（温度、湿度、PM2.5）至云端服务器，云端服务器主要对所采集到的数据进行存储并建模分析，以便对不同的用户提出有针对性的服务意见，移动应用端则主要负责向用户展示实时的室内环境指数，并且及时反馈云端服务器数据分析得到相关结果，提示用户应及时采取何种有效的解决方案去应对家中环境的变化。

2.1 硬件数据采集端

“我爱我家”系统的硬件数据采集端由ESP8266物联网终端，DHT11温湿度传感器和APM灰尘传感器构成。传感器采集到的数据能够利用ESP8266与Internet相连的无线Wi-Fi串口模块实时上传至云端服务器。云端服务器可以通过Internet传输指令，实现对ESP8266的控制，从而控制空气净化器的效果。

2.2 云端数据处理中心

我们在云端建立以下三个模型进行数据分析，对室内空气质量进行综合评价，对未来情况进行预测：

（1）“滤波”算法将对采集到的数据进行平滑去噪处理。

（2）室内环境的评价模型将采用灰色关联度，求解模型的隶属度，按AHP法求解影响因素之间的权重分配，确定室内环境状况的综合评价指标。

（3）室内PM2.5浓度预测模型采用季节效应分析具有周期性的时间序列的方法，把一天作为一个周期，把每个小时作为一个“季节”，由此预测未来一天中各小时的PM2.5值。

2.3 移动端APP的实现

我们在Android系统上使用xUtils框架来开发移动端应用APP，它通过HTTP协议与云端服务器进行通信。

3 结束语

在室内环境问题日益严重的背景下，基于物联网的家居环境智能监控系统的实现能够有效的帮助更多的人意识到室内环境问题的严重性，及早预防因室内环境问题而带来的一系列不良影响，现实意义明显。

“我爱我家——基于物联网的家居环境智能监控”系统不仅做到了对室内环境的监测，还会根据监测数据进行及时有效的分析并向用户提供有针对性的解决方案。除此之外，它还能联动与之配套的空气净化器或加湿器，直接帮助用户改善室内环境，集监测、分析、服务为一体，真正的做到为用户智能提供室内环境问题解决方案，未来发展意义显著。

作者简介

黄菡（1995-），女，安徽省安庆市人。现为中南财经政法大学信息与安全工程学院大学本科在读学生。主要研究方向为管理信息系统。

作者单位

中南财经政法大学信息与安全工程学院 湖北省武汉市 430073