吳 迪

（河南物流職業(yè)學院信息工程學院，河南 鄭州 450003）

互聯(lián)網信息技術的快速發(fā)展，有效推動了人工智能技術、大數據技能等各項技術的發(fā)展，并逐漸延伸到人們生產生活的各個方面，將物聯(lián)網技術應用于家居用品的設計之中也成了當前物聯(lián)網技術發(fā)展的重要趨勢。在物聯(lián)網技術的加持之下，通過智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)，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(lián)”，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(huán)境提供了重要思路。

1 智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)設計建設的必要性

隨著物聯(lián)網技術的快速發(fā)展，推動物聯(lián)網技術與智能家居系統(tǒng)實現融合發(fā)展、改善人們的生活質量已經成為當前物聯(lián)網技術發(fā)展的重要趨勢之一。智能家居系統(tǒng)的設計主要是將家庭環(huán)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(jiān)測系統(tǒng)主要是將物聯(lián)網技術應用到監(jiān)測系統(tǒng)之中，構建對于家居環(huán)境的一體化監(jiān)控網絡，能夠實現對家庭環(huán)境數據信息采集、實時監(jiān)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(lián)網技術的智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)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(huán)境數據的全面采集，并且能夠定時、定點地對家庭環(huán)境中某一特點的參數樣本進行分析，以此來發(fā)現家庭環(huán)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(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測過程中，物聯(lián)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(huán)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(huán)境中的內部溫度進行感知與監(jiān)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(fā)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(fā)生[1]。

1.2 網絡層

在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)智能化的根本原因。同時，在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的建設中，網絡層不僅僅是要保障智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，更重要的是能夠對家庭內部發(fā)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(lián)網技術與智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)兩者進行有效連接，就是將監(jiān)測設備所監(jiān)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(huán)境的狀態(tài)，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(lián)網技術在智慧家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計中的制約因素

2.1 物聯(lián)網技術標準不規(guī)范

當前，我國物聯(lián)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(huán)境因素的影響，各地區(qū)家庭環(huán)境監(jiān)測體系行業(yè)標準較為復雜，在智慧家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計過程中，很容易出現重復監(jiān)測、監(jiān)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(yè)標準規(guī)范化，并加快對于智能家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計研發(fā)，才能夠充分發(fā)揮物聯(lián)網技術的優(yōu)勢，使得物聯(lián)網技術在智能家居環(huán)境的應用中更加具有普適性，適應不同地區(qū)、不同家庭對于家庭環(huán)境監(jiān)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測能力有限，并且隨著使用年限的增長很容易發(fā)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境的監(jiān)測能力以及監(jiān)測精度有限，而且各個系統(tǒng)的運行時間容易受到影響，難以滿足智慧家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的全面應用要求[2]。而在現有的智能家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)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(guī)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)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(qū)物業(yè)以及社區(qū)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(yè)的環(huán)境監(jiān)測從業(yè)人員以及物聯(lián)網技術綜合素質人員。但是當前，我國環(huán)境監(jiān)測技術并未大規(guī)模向智能家居服務行業(yè)進行普及，小區(qū)物業(yè)人員的技術能力有限，缺乏專業(yè)的知識和操作能力，大部分智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的應用僅僅停留在“監(jiān)測”方面，不能夠有效發(fā)揮智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)在預警信息、事故處理等方面的作用。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)數據無法共享

在智慧家庭數據監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測信息卻無法實現共享，無法進行資源的有效整合和統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)的升級提供科學的參考依據。

3 監(jiān)控系統(tǒng)整體模塊的設計

3.1 設計思路

智能家庭監(jiān)測系統(tǒng)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(chuàng)新設計，從而對家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行更為清晰的模塊化管理。整個智能家庭監(jiān)測系統(tǒng)的運行流程主要是：傳感器主動收集家庭環(huán)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(huán)境信息。當家庭環(huán)境發(fā)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(fā)生。從此來看，智能家庭監(jiān)測系統(tǒng)運行流程一共分為兩個階段，主要是監(jiān)測端和數據采集端。在監(jiān)測端通過與網絡數據平臺以及家庭成員的移動終端相聯(lián)系，進行數據的分析、管理和收發(fā)；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(jiān)測效果[3]。

3.2 硬件設計

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

3.2.1 溫濕度采集模塊

在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測效果。在正常的家居環(huán)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(tǒng)接收到電壓信號之后，就會用相應的共識來將所監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境發(fā)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(tài)下工作。在對家庭環(huán)境的監(jiān)測中，一旦有人進入HC-SR501 人體紅外感應的監(jiān)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(huán)境中的行為進行監(jiān)測和記錄，而當人離開HC-SR501 人體紅外感應的監(jiān)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(tài)。

3.2.4 無線收發(fā)模塊

通過使用無線收發(fā)模塊，能夠使家庭環(huán)境內多個單片機組合成為一個功能更加完整的環(huán)境數據監(jiān)測系統(tǒng)，同時從不同的位置、不同角度采集家庭中的環(huán)境數據信息，進而使獲得的家庭環(huán)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(fā)芯片，其擁有自動應答和自動發(fā)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(jiān)測服務。

3.2.5 GSM 模塊

GSM 是全球移動通信系統(tǒng)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(tǒng)。通過GSM 系統(tǒng)，能夠將家庭情況利用短消息的形式發(fā)送給家庭成員，實現對家庭環(huán)境的實時監(jiān)控。

3.2.6 軟件設計

通常來講，MQTT 是一種基于發(fā)布、訂閱模式的輕量級通信協(xié)議，也就是從數據的發(fā)出節(jié)點（傳感器）接收到數據信息之后，再傳輸給訂閱者節(jié)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(jiān)測系統(tǒng)的設計之中，各類傳感器便是數據信息的發(fā)布者，將家庭環(huán)境中實時監(jiān)測到的數據信息通過MQTT 協(xié)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(lián)網技術的智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)與用戶之間的信息傳輸，方便家庭成員對家庭環(huán)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(huán)境中監(jiān)測到氣體或者火焰情況時，會給用戶發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)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(qū)住戶、社區(qū)住戶家庭安全情況的數據統(tǒng)籌。在對家庭情況進行監(jiān)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(qū)物業(yè)、消防中心等也可以實現對所在區(qū)域家庭情況的完全掌握，并進行同步監(jiān)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(jiān)測界面，實時了解家庭中的情況。同時利用WEB，重點小區(qū)物業(yè)或者消防中心可以創(chuàng)建多個用戶，同時進行實時監(jiān)測，如若小區(qū)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(tài)以及監(jiān)測的各項數據，方便管理人員對可能發(fā)生的危險情況做出準確判斷。

5 總結

基于物聯(lián)網技術設計的智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)，能夠對家庭環(huán)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(tǒng)與物聯(lián)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(qū)物業(yè)、社區(qū)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(fā)生。