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(shè)計(jì)

王 興，衛(wèi)玲芝，楊 柳

(1.太原科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024；2.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)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(wù)。2020年5月28日《中國(guó)智能家居生態(tài)發(fā)展白皮書》發(fā)布，智能家居進(jìn)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(dá)48%。在物聯(lián)網(wǎng)[1]大時(shí)代背景下，結(jié)合當(dāng)前人們對(duì)于居住環(huán)境宜居性的考慮，設(shè)計(jì)了一種智能生態(tài)環(huán)境康養(yǎng)系統(tǒng)。在我們?nèi)粘Ｉ钪校瑴囟冗^高或者過低都會(huì)對(duì)人體造成一定的不良影響。當(dāng)溫度過高時(shí)，人體中松果腺體分泌出的松果激素量增大，使得體內(nèi)甲狀腺素和腎上腺素的濃度降低，人就會(huì)感覺到精神萎靡不振。長(zhǎng)時(shí)間在濕度較大的地方生活、工作，很容易得風(fēng)濕?。划?dāng)氣溫過低時(shí)，蒸發(fā)加快，人體的水分容易被干燥的空氣吸收掉，就會(huì)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(fù)氧離子濃度也是環(huán)境好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，它不僅有利于我們的身心健康，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、大腦皮層等也有一定的調(diào)整功能。而當(dāng)前市面上傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)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(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能控制負(fù)氧離子發(fā)生器、水電暖控制器、加濕器等設(shè)備的啟動(dòng)關(guān)閉等功能，并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到云服務(wù)器，通過云端來對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、交互。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(gòu)設(shè)計(jì)：感知層由多個(gè)傳感器組成，檢測(cè)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)層由微型平板電腦以及服務(wù)器管理軟件等組成；應(yīng)用層主要由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dòng)傳感器采集室內(nèi)環(huán)境信號(hào)，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(chǔ)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(shè)置的環(huán)境參數(shù)閾值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)檢測(cè)到某一項(xiàng)環(huán)境參數(shù)值不在閾值范圍內(nèi)時(shí)，將信號(hào)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(hào)通知相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，從而控制相應(yīng)設(shè)備的開啟/關(guān)閉。同時(shí)，路由器通過Wi-Fi或者以太網(wǎng)向云服務(wù)器發(fā)送指令反饋信息，通過云服務(wù)器[2]可以對(duì)整個(gè)控制器和設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)

2.1 控制器設(shè)計(jì)

控制器是整個(gè)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(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過設(shè)置好的指令發(fā)送給主控電路板，此時(shí)屏幕上可顯示多個(gè)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?？刂破骺赏ㄟ^Wi-Fi接口、RJ45以太網(wǎng)接口兩種通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)采用Wi-Fi模塊傳輸時(shí)，控制器上的天線接收到電磁波信號(hào)，進(jìn)入濾波器和低噪聲放大器，將信號(hào)送入到Wi-Fi芯片內(nèi)，經(jīng)過處理之后，信號(hào)傳輸給控制器主板。采用RJ45以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，根據(jù)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)包?？刂泼姘逋ㄟ^與節(jié)點(diǎn)通信，控制室內(nèi)環(huán)境設(shè)備?？刂破魅鐖D3所示。

圖3 控制器示意圖

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)與設(shè)備相連接，根據(jù)接收到的指令信息控制設(shè)備開關(guān)。要實(shí)現(xiàn)智能化，必須遵循統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。智能家居的節(jié)點(diǎn)控制[5-6]模塊包含多種類型，多個(gè)模塊被連接在一條總線上，本系統(tǒng)使用的是繼電器開關(guān)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(diǎn)，可連接負(fù)氧離子發(fā)生器、臺(tái)燈、風(fēng)扇等功率較低的電器設(shè)備；另一種是10 A繼電器隔離觸點(diǎn)。可連接空調(diào)、冰箱、電暖等功率較大的電器設(shè)備。Wi-Fi節(jié)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 Wi-Fi節(jié)點(diǎn)示意圖

為了增加對(duì)節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備的時(shí)效性，提高節(jié)點(diǎn)的控制效率，本系統(tǒng)采用了一種節(jié)點(diǎn)控制方法。該方法首先要對(duì)每一個(gè)目標(biāo)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的待支配節(jié)點(diǎn)設(shè)置時(shí)間閾值，向當(dāng)前支配節(jié)點(diǎn)發(fā)送支配指令，支配指令的作用是控制當(dāng)前待支配節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)開啟和待機(jī)。接著要確定支配時(shí)間，支配時(shí)間具體表現(xiàn)為指令發(fā)送的時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間間隔。當(dāng)支配時(shí)間與設(shè)定的時(shí)間閾值相等時(shí)，開始判斷，若當(dāng)前待支配節(jié)點(diǎn)完成開關(guān)機(jī)命令，則繼續(xù)接受外部指令。

2.3 通信指令設(shè)計(jì)

針對(duì)室內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜、控制器與被控制節(jié)點(diǎn)之間距離較遠(yuǎn)的問題，為了使傳輸指令、連接節(jié)點(diǎn)增加更加方便，本系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)取代有線[7]傳輸，將控制器以及由其控制的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線局域網(wǎng)絡(luò)。

云服務(wù)器與控制器之間通過以太網(wǎng)光纖進(jìn)行信息傳輸，采用全雙工通信，將控制器的操作信息及設(shè)備信息等信息上傳至云端。當(dāng)云服務(wù)器發(fā)出指令信息時(shí)，控制器給出相應(yīng)反饋。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或者被測(cè)環(huán)境參數(shù)超出限定值，控制器會(huì)向云服務(wù)器發(fā)送指令，云服務(wù)器自動(dòng)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(nèi)部通信協(xié)議。服務(wù)器與控制器之間、控制器與節(jié)點(diǎn)之間通過相應(yīng)的信息指令進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，信息指令的內(nèi)容如下：

1)服務(wù)器監(jiān)控控制器和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，控制器向服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信息。

2)控制器監(jiān)控節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，被測(cè)環(huán)境參數(shù)超過限定值時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)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(jié)束字符

反饋指令：起始字符+IP+功能碼+“OK”+結(jié)束字符

例1：服務(wù)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(guān)閉節(jié)點(diǎn)

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(yīng)環(huán)境算法

本系統(tǒng)采用多參數(shù)自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，通過采集室內(nèi)溫度、濕度、PM2.5等多個(gè)環(huán)境參數(shù)，對(duì)獲取到的這些環(huán)境參數(shù)值建立一種相關(guān)函數(shù)聯(lián)系，使得每個(gè)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(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)一調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備使環(huán)境更為適宜。

1)對(duì)所有傳感器采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷，建立傳感器彼此之間一一對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)。

2)控制器根據(jù)每個(gè)環(huán)境參數(shù)，單獨(dú)設(shè)置默認(rèn)的控制策略。

3)根據(jù)相關(guān)函數(shù)計(jì)算每個(gè)環(huán)境參數(shù)默認(rèn)的控制策略對(duì)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(guān)系，對(duì)這個(gè)環(huán)境參數(shù)控制的策略通過公式(1)進(jìn)行修改，然后將修改后的控制策略重新排列組合，完成當(dāng)前環(huán)境的控制策略。

(1)

2.5 智能控制技術(shù)

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(jì)算機(jī)程序，它能夠有效地運(yùn)用專家多年積累的有效經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行推理判斷進(jìn)行[9]控制。專家系統(tǒng)通常由人機(jī)交互界面、知識(shí)庫、推理機(jī)、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識(shí)獲取等6個(gè)部分構(gòu)成。智能生態(tài)康養(yǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中主要運(yùn)用專家系統(tǒng)對(duì)設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)故障、環(huán)境參數(shù)報(bào)警方面進(jìn)行智能控制。

知識(shí)庫用于存放專家的專業(yè)知識(shí)，專家系統(tǒng)中問題的決策處理都是通過知識(shí)庫內(nèi)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行推理。因此知識(shí)庫是衡量專家系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)表示形式建立專家系統(tǒng)，基本格式是：IF條件THEN結(jié)論。推理機(jī)針對(duì)當(dāng)前問題的條件，反復(fù)對(duì)知識(shí)庫中的規(guī)則進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的[10]智能控制，能夠?qū)崟r(shí)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(shí)，專家系統(tǒng)對(duì)問題的決策。

IF (環(huán)境參數(shù)超限)

THEN (環(huán)境異常！對(duì)控制器狀態(tài)進(jìn)行檢查)

ELSEIF(控制節(jié)點(diǎn)失靈)or(節(jié)點(diǎn)通信故障)

THEN (網(wǎng)絡(luò)故障！對(duì)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行檢查)

ELSEIF(控制器狀態(tài)異常)

THEN (設(shè)備故障！對(duì)控制器進(jìn)行檢修)

END IF

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)既要便于環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)，又要方便用戶的使用，利用友好的人際交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)此監(jiān)控系統(tǒng)的操作。對(duì)于該系統(tǒng)的上位機(jī)來說，充分考慮了用戶的易操作性，設(shè)置了監(jiān)控界面、動(dòng)態(tài)宣傳、控制策略、系統(tǒng)檢測(cè)[11]、參數(shù)設(shè)置、用戶管理等多個(gè)模塊，使用戶可根據(jù)控制系統(tǒng)的提示界面進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。監(jiān)控界面模塊由日期、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、當(dāng)日信息、動(dòng)態(tài)曲線、功能按鈕等部分組成。在本模塊中，可以顯示當(dāng)前的日期，記錄系統(tǒng)的日志信息，監(jiān)控負(fù)氧離子、溫度、濕度、甲醛、PM2.5等環(huán)境參數(shù)信息，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成相應(yīng)的折線圖，還可對(duì)當(dāng)前的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)控制。動(dòng)態(tài)宣傳模塊在監(jiān)控環(huán)境信息的同時(shí)還可以顯示宣傳廣告、報(bào)警信息[12]等。控制策略模塊中，用戶可以根據(jù)自身的需求調(diào)節(jié)并設(shè)定濃度值以及選擇手動(dòng)控制模式或者自動(dòng)控制模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化控制，同時(shí)此模塊還可以根據(jù)環(huán)境需要提供1～10個(gè)擴(kuò)展控制設(shè)備。系統(tǒng)檢測(cè)模塊用來檢測(cè)各傳感器以及設(shè)備的故障問題，并顯示結(jié)果，以便用戶及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。參數(shù)設(shè)置模塊完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的無線連接，對(duì)設(shè)備名稱、IP地址、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。用戶管理模塊可供使用者進(jìn)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?？刂撇呗阅K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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)分為環(huán)境監(jiān)控測(cè)試和自動(dòng)控制測(cè)試兩部分。

環(huán)境監(jiān)控測(cè)試在同一室內(nèi)測(cè)試環(huán)境下，分別在一天當(dāng)中選取早、中、晚3個(gè)時(shí)間段檢測(cè)一周之內(nèi)的溫度、濕度、負(fù)氧離子濃度3項(xiàng)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(shì)。

圖8 環(huán)境監(jiān)控測(cè)試

自動(dòng)控制測(cè)試以加濕器設(shè)備為例，在同一測(cè)試環(huán)境中，檢測(cè)在濕度變化的條件下，加濕器自動(dòng)控制的問題。預(yù)設(shè)加濕器設(shè)備開啟的濕度為40%，當(dāng)濕度達(dá)到40%時(shí)，加濕器自動(dòng)開啟。如9(a)所示，當(dāng)前濕度為74.5%，高于預(yù)設(shè)值40%，故加濕器的設(shè)備狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)；如9(b)所示，當(dāng)前濕度為29.9%，低于預(yù)設(shè)值40%，因此加濕器的設(shè)備狀態(tài)為開啟狀態(tài)。

圖9 自動(dòng)控制測(cè)試

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)跟隨科技發(fā)展的新形勢(shì)，在物聯(lián)網(wǎng)[13-14]的大背景之下，旨在為用戶提供一個(gè)更加健康舒適的生活環(huán)境的同時(shí)便捷用戶的生活。本文通過VisualBasic6.0編程實(shí)現(xiàn)，通過指令設(shè)計(jì)、調(diào)度，將各項(xiàng)功能集成在面板按鈕上，利用友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的智能監(jiān)控以及對(duì)設(shè)備的智能控制。給用戶提供了更直觀的感覺，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)設(shè)備的操控，操作簡(jiǎn)單，方便理解。