基于WiFi环境下的无线家庭环境监测系统设计与应用

王梦秋

摘要：本文分析了基于WiFi环境下的无线家庭环境监测系统的设计与应用，在系统设计方面，分析了系统体系结构和系统重要节点设计；在应用方面，分析了应用场景和进一步发展方向；最后总结了该系统设计和应用中的性能特点。通过以上分析，旨在明确了基于WiFi环境下的无线家庭环境监测系统设计和应用的要点，旨在完善和提高该监测系统的功能和性能，提升该系统的应用价值。

关键词：WiFi环境；无线家庭；环境监测系统；设计；应用

一、 概述

随着经济的发展和生活环境的逐步恶化，如PM2.5、家庭装修污染等，人们对良好生活环境的要求越来越强烈。但是，人们所在生活环境的各种指标数据，还停留在感知层面，没有形成系统的、可评价的、可见的层面。如果能建设一套对家庭环境进行检测的信息系统，对家庭环境的各类参数实时监测，让原通过感知的信息转换成可探测、可监测、可评估、可见的信息，让环境信息一目了然，并进行有效评估，具有较大的应用价值。

家庭无线WiFi为该系统建设提供了基础条件。

二、系统结构设计

（一） 监测系统体系结构

基于WiFi环境下的无线家庭环境监测系统包括环境探测传感器、WiFi通信设备、数据采集显示屏报警器、智能手机APP软件等设备。这些设备通过家庭无线WiFi设备进行通信并组成一个系统。见下图：

该系统将家庭环境的各类设备组成一个网络，运行方式为：

各类传感器将探测到的数据，通过无线WiFi设备发送到数据采集及显示报警器上，数据采集显示报警器将采集到的数据在显示屏上实时显示，同时转发到互联网或家庭其它存储设备上，环境监测数据超过设定阀值时该设备予以声光报警，手机APP提供环境数据查看、分析、报警、设置等功能。

（二） 系统硬件

该系统硬件包括环境探测传感器、无线WiFi设备、数据采集显示屏报警器、智能手机。其中：无线WiFi设备、智能手机利旧；新设备为环境探测传感器、数据采集显示屏报警器。数据采集显示屏报警器为该系统的核心设备。

1. 环境探测传感器

环境探测传感器包括多种环境探测传感器，包括但不限于温度、湿度、PM2.5、气压、放射线、甲醛、煤气、二氧化碳、一氧化碳、氧气、水压、电压、风速、采光、照明等各类可探测、收集的环境因素传感器。

2. 无线WiFi设备

无线WiFi设备可以利用现有家庭的无线WiFi设备上网设备，不但能够将所有环境探测传感器方便地连接在一起，而且自动连通了互联网络，便于开发智能手机APP软件，实现手机上对家庭环境数据的即时查看，同时降低了投资成本。

3、数据采集显示屏报警器

数据采集显示报警器，是该系统的核心设备，通过无线WiFi接入该系统。该设备无线WiFi采集各个传感器获得的数据，在显示屏上进行实时显示同时转发到互联网或家庭其它存储设备上，环境监测数据超过设定阀值时该设备予以声光报警。该设备具备较大显示屏，分区、分时显示各类环境探测数据；具备声光报警功能；具备数据暂存功能；具备预警阀值设置及数据计算功能。数据采集、探测、显示、预警内容包括传感器自身运行工况信息、电池电压信息等。

（三） 系统软件

系统软件包括数据采集显示屏报警器软件及智能手机APP软件两部分：

1、 数据采集显示屏报警器软件

该软件能够接收各类传感器传递的各类数据，并对数据进行暂存、转发、显示，根据设定的阀值启动声光报警；该软件具备对各类环境参数进行阀值设定功能。

2、 智能手机APP软件

智能手机APP软件，用于在手机上显示、查看家庭环境个各类实时数值，历史曲线，设定报警阀值、超过阀值预警等内容。数据来源于传入互联网存储的环境数据或存储于家庭存储上的数据。

（四） 监测内容

监测内容包含系统自身监测内容及环境监测内容两部分：

1、 系统自身监测内容

该系统接入各类传感器较多，且各类传感器为实时工作状态，耗电量较大；受无线WiFi信号强弱的影响，传感器接入网络情况带有较大的不确定性。基于以上因素，该系统的监测内容，首先是对接入该系统的各类设备运行工况、电池电压、是否接入网络、数据传输是否正常进行监测。对该系统运行的异常情况进行报警。

2、 家庭环境因素监测

环境因素监测，包括但不限于温度、湿度、PM2.5、气压、放射线、甲醛、煤气、二氧化碳、一氧化碳、氧气、水压、电压、风速、采光、照明等各类可探测、收集的环境因素。

（五） 环境监测系统的关键技术

1、WiFi信号组网技术

由于家庭面积有大有小，受墙壁等因素影响，存在WiFi信号覆盖不到位的情况，该情况会导致整个系统难有有效组网。解决该问题的办法，一是采购大功率、多天线WiFi设备，二是采购多个WiFi設备进行WiFi设备级联，见下图：

3、 传感器节电技术

家庭环境探测传感器的节点技术，直接影响整个系统的运行成本。在用干电池或充电电池的情况，可以采用设定数据采集时间间隔时长来节约电量。对长期稳定的因素（氧气、采光、通风、甲醛等），数据采集时间间隔设定较长时间；对重要的、影响较大的因素（燃气、一氧化碳等）设定较小的数据采集时间通过这种方式，既满足数据采集的要求，又节约了电力，降低了系统运行成本。

4、 数据传输技术

该系统在数据传输过程中，各传感器不需要实时在线，根据设定的数据传输时间，定时连接并传输数据，确保数据正常传输又节约电量。

5、 数据存储技术

该系统采集的数据量较大，根据设定的数据采集时间，在数据采集显示屏报警器上临时暂存近期数据；在互联网或家庭其它设备上存放全量数据。随着使用时间的增长，采集的数据量会越来越大，需要采用数据分离技术对历史数据进行分离，分离的历史数据另行存放、单独查阅。提供对历史数据的轻量汇总数据的查阅功能。

6、 数据分析技术

对采集的环境因素数据，进行多维度的分析；对环境综合状况，建立环境评估的数学模型，对环境状况进行综合评估。

7、 灵敏度技术

对传感器的灵敏度进行设置和评估，对不同设置参数的灵敏度进行评估，找到最佳运行工况的传感器灵敏度。

8、 噪声处理技术

对不同传感器采集的环境因素数据，对异常数据进行噪声处理，排除非正常的数据，避免噪声数据对环境监测带来的不良影响。

9、 信息安全技术

家庭环境监测数据，存在信息安全风险，一是需要启用无线WiFi设备上的防火墙设置；二是传入互联网的数据需要确定其保密方式及保密级别；三是手机APP的影响需要采用信息安全技术；四是涉及重要的信息需要采集特殊的信息安全技术。

三、成本及效益

该系统的硬件设备需要采购（或开发）具备WiFi功能的环境因素探测传感器、数据采集显示屏报警器（带软件）、手机APP软件，WiFi设备、手机利旧，投入成本较低。

该系统一旦部署，不但能对家庭环境进行全面监测，而且能对超过阀值的环境因素进行报警，更能够对整个家庭环境进行综合评估，确定是否适合居住并给出改善措施。这对于刚刚装修过的家庭、冬夏门窗常闭环境、低矮通风不畅环境等有较大的应用场景并人们带来切实的良好体验，能够产生较大的社会效益和经济效益。

四、系统应用

基于WiFi环境下的无线家庭环境监测系统，有着成本较低、组网方便等特点，有着较为广泛的应用场景，如：

1、 家庭环境监测

家庭环境监测是主要应用场景，可以根据实际需求配置环境监测传感器的数量，监测重要度不同的环境因素。

2、 仓储环境监测

根据仓储环境，选择不同的环境因素传感器，监测仓储的环境。

3、 机房环境监测

企业通信机房、计算机机房，有着较高的环境要求，该系统可以对机房的环境进行监测。

4、 种植大棚环境监测

蔬菜种植大棚，需要对环境进行监测，选择不同的传感器，监测蔬菜种植大棚的环境。

五、总结

综上所述，基于WiFi的无线家庭环境监测系统，系统较为简单、组网并不复杂、建设周期短、投入成本较低、应用场景广，一旦建设和投入运行，能够产生较好的经济效益和社会效益，有着良好的发展前景，是值得投资建设的一个良好的系统。

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