WiFi网络技术下家庭环境远程监测系统的实现

2020-07-23崔斌李燕

现代电子技术 2020年14期

崔斌李燕

摘要：对于家庭环境中有效组网不方便、布线较为麻烦且移动性较差的问题，提出WiFi网络技术下的家庭环境远程监测系统设计。首先，利用STM32F103硬件平台创建传感器收集环境数据，通过WiFi模组和云服务器创建连接，对数据进行传输。通过Android收集APP和服务器通信得到数据，从而实现远程实时检测目的。另外，在室内烟雾或者天然气浓度超标的时候，利用短信网关技术实现报警短信的发送，提醒用户及时处理。最后，对设计的系统进行测试。测试结果表明，系统运行稳定，具有功耗比较小、成本低、实时性良好和便于部署等优势。

关键词：远程监测; 家庭环境; WiFi网络技术; 系统设计; 数据传输; 短信发送; 实时通信

中图分类号： TN948.64?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）14?0013?04

Implementation of home environment remote monitoring system

based on WiFi network technology

CUI Bin， LI Yan

（Nanning Normal University， Nanning 530000， China）

Abstract： In allusion to the inconvenient network formation， troublesome wiring and poor mobility in the home environment， a design of the home environment remote monitoring system based on WiFi network technology is proposed. The sensor is created on the STM32F103 hardware platform to collect environmental data， and the connection between WiFi modules and cloud server is established to transmit the data. The communication data obtained by App and the server are collected through Android， so as to realize the remote real?time detection. In addition， when the concentration of indoor smoke or natural gas exceeds the standard， an alarm short message is sent to its users by the SMS gateway technology to remind them for the timely processing. The designed system has passed its testing. The testing results show that the system has advantages of stable operation， low power consumption， low cost and good real?time performance， and is easy to deploy.

Keywords： remote monitoring; home environment; WiFi network technology; system design; data transmission; short message sending; real?time communication

0 引言

在信息技术、科学技术不断发展的过程中，远程监控系统被广泛应用到消防控制、智能建筑等行业中，并且逐渐成为社会各个行业安防的重点。目前，国内外已经研发了智能家居、智能小区等内容产品，并且也实现了智能家居产品的开发，比如海尔网络家电等，广泛应用到各国家庭中[1]。

随着人们生活水平的不断提高，人们也提出了高要求的生活环境和居住环境，都开始逐渐使用智能家居。为了满足人们对居住环境的需求，相应研究人员已经开始研究智能家居[2]。基于WiFi技术能够实现家居环境远程监控系统设计，使人们的生活体验需求得到提高。本文分析现代家庭环境远程监测系统的功能与需求，以此实现基于WiFi的家庭环境远程监测系统。

1 系统的构成

图1为家庭环境远程监测系统的构成图，主要包括无线通信模块、终端节点、GSM模块、嵌入式系统和智能手机。系统中的终端节点能够使气体浓度、烟雾浓度等超过设置阈值信息和水浸、入侵等信息，利用无线模块对嵌入式系统无线接收端发送[3]。

嵌入式系统为系统核心部分，其为控制程序在ROM中存储的嵌入式处理器控制板。嵌入式系统一般执行具备特定要求的预定定义任務中的片上计算机，只是对于一项特殊任务，设计人员能够优化，降低尺寸和成本。其中，具有数字接口设备，包括微波炉、录像机、汽车、手表等使用嵌入式系统，部分嵌入式系统还具备操作系统，但是大部分嵌入式系统都是通过单一程序使整体控制逻辑得到实现[4]。

2 系统硬件设计

2.1 硬件收集和WiFi发送

将STM32F103芯片应用到系统数据收集过程中，使其成为控制的核心设备。AM2301对温湿度信息进行收集，MQ?2和MQ?4全面监测天然气与烟雾浓度安全状态，VC706摄像头能够收集访客的图像。利用芯片实现收集所有信息的处理，并且发送到Web服务器中[5]，硬件结构详见图2。

USR?WIFI232?T模组为一体化IEEE 802.11b/g/n WiFi低功耗嵌入式WiFi模组，能够有效地集成射频收发单元、基频芯片和MAC，其中的嵌入式固件支持WiFi协议和配置。

另外，还具备透传模式和命令模式，透传组网方式较为简单，传输速率比较快，并且还能够实现AT命令的发送，利用HTTP协议实现数据的打包和传输，通过PFP文件信息精准的传输[6]。

2.2 温湿度传感器

本文设计温湿度传感器主要目的是对室内温湿度信息进行收集，这时的传感器能够对温湿度信号同时收集，实现高精度数字信号的输出，通过先进传感技术、收集技术和数字化模块创建产品，从而降低产品的功耗和体积。

2.3 烟雾传感器

利用厨房烟雾的浓度指标检测烟雾浓度传感器是否超标，从而避免出现意外的火灾情况。烟雾传感器包括离子式、光电式、气敏式三种。气敏式传感器为三种方式中敏感度最高的，所以采用气敏式传感器对烟雾进行均衡[7]。厨房气体泄露会导致火灾出现，通过MQ?2气敏式烟雾传感器进行检测能够及时发现问题。此烟雾传感器包括数字开关量输出与模拟量电压输出，通过系统的需求实现数字量的输出。

简单来说，假如环境中烟雾浓度高于阈值，模块实现低电平的输出;如果浓度和烟雾比阈值低，实现高电平的输出[8]。

2.4 红外发射电路

为了使设计系统成本降低，通过红外技术控制家用电器，在所有房间中安装ZigBee终端节点，连接传感器外接口。利用干电池供电，空调遥控器使用开关量控制，终端节点和空调遥控器的按键相互连接，实现远程控制，利用本地遥控器对空调温度与开关进行调节[9]。

2.5 WiFi传感节点

WiFi传感器节点由传感器模块、电源供应模块和无线电通信模块构成。传感器模块实现SH11与TSL2500等传感器的集成，以及监测区域信息的收集。此信息为数字信号输出，不需要A/S转换。无线传感模块使用低功率高集成度SoC芯片，实现传感节点的处理、存储与无线收发操作。

电源供应模块能够提供传感节点正常运行的能量，本文利用DC 3.6 V 5号AA电池供电。GS1010SoC芯片利用两个ARM7处理器，其中一个属于应用处理器，内部实现FLASH与SRAM等存储器的集成，外扩两个GPIO，I2C，ADC等接口，实现传感器收集数字与模拟信息的接收[10]。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee网络协调器节点

使用T1公司半开源Zstack协议栈，使研发周期缩短，提高系统的稳定性。协调器节点程序设计包括应用层软件开发与协议栈配置。

图3为协调器程序流程图。本文使用双向绑定方法，由于绑定只在发起绑定一方创建，被绑定方不知道绑定方绑定地址，所以使用双向绑定，使终端节点与协调器双向通信得到实现[7]。

因为具有多个终端节点，所以使用顺序绑定方法。先对绑定节点1进行设置，成功之后实现绑定节点2的设置，以此类推到绑定全部终端节点。在函数void zb_BindConfirm中，标志位count绑定协调器到终端节点之后，就会增加1，对绑定终端节点进行记录。利用if语句设置终端节点绑定事件，绑定工作完成[11]。

3.2 上位机设计

服务器端上位机软件通过C++和MFC语言编写，对WiFi模组发送数据进行监听，为服务器和WiFi相互通信桥梁，包括数据处理、端口监听和用户界面。用户界面能够将WiFi和服务器连接情况与所收集的数据进行展现，将是否成功保存数据展现。

利用套接字，使端口监听部分监听网络端口，通过监听得到网络数据包请求到达，创建套接字和数据包的连接[12]。

数据处理利用解析和解包实现数据处理和分类保存，在实现WiFi发送数据过程中，将0Xdd0X01添加到数据包中，表示天然气、温度值和延误等传感器数据，0Xcc0X01对图片数据进行标识，对数据精准地进行处理。

上位机在启动云服务器之后能够监听WiFi客户端的连接请求，等待数据接收与处理[13]。

3.3 服务器数据监测

此部分包括数据处理、数据库接口、Web接口与命令发送接口，在Web接口发现网络属性请求修改的时候，将修改属性命令发送给传感器网络。使封装数据对Web接口发送，对数据请求进行响应，实现数据收集数据库的存储操作，并且记录日志，接收Web接口发送的数据库索引请求提取数据对Web接口，封装相应信息。

启动服务器之后等待客户端请求，客户端将请求对服务器发送，服务器接收请求并且对请求类型判断，主要请求类型包括控制WSN命令、历史记录查询、室内环境的实时监控等。在服务器实现客户端请求室内环境实时监控接收时，服务器利用Socket对WSN数据包进行监听。如果监听失败，继续监听;假如成功监听，对数据进行解析，解析之后数据包对客户端反馈，实现数据库写入。在实现其他类型请求接收的时候，服务器以不同请求进行处理，服务器使处理后结果对客户端反馈。如果实现服务关闭命令的接收，退出服务。

4 测试结果

本文设计在灰度浓度检测过程中，使用兩套方案，第一种为正常测量灰尘传感器，第二种为添加卡尔曼滤波算法灰尘传感器测量。灰尘传感器模块在工作过程中使外界温湿度、振动、风速导致的偶然误差降低，提高整体系统收集数据的稳定性。两套方案使用相同单片机、时间和参数。图4为智能家居WiFi监控的界面。

浏览器端调试包括本地服务器开启操作与浏览器整体界面的UI显示。为了提高用户体验，在设计过程中，使用多种过滤样式，使人们交互感得到提高[14]。

5 结语

本文将设计的远程监控系统应用在家庭环境中，不仅能够对房间温湿度状态进行监测，还能够对家中空调、加湿器的开关进行控制，以此对温湿度进行调节，创建舒适良好的环境。另外，传感器能够对烟雾浓度是否超标进行检测，利用人体红外模块实现家庭的安防。此系统已经开始部署和使用，效果良好，能够满足用户的使用要求。

注：本文通讯作者为李燕。

参考文献

[1] 李冶，胡万德.基于物联网技术的家庭智能养鱼浇花系统设计[J].金陵科技学院学报，2017，33（2）：89?92.

[2] 王骥，谢仕义，钱建东，等.基于网络机器人的远程室内安防新方法[J].电子器件，2017，40（1）：199?206.

[3] 徐军，杨帆，朴金宁，等.室内环境参数远程监测系统设计[J].电子技术应用，2018，44（2）：48?51.

[4] 郑旭，颜孟凡，王娟娟，等.基于Arduino的远程环境监测系统的实现[J].中国新通信，2018，20（13）：35.

[5] 于婷婷，朱龙图，闫荆，等.农田环境信息采集与远程监测系统[J].中国农机化学报，2016，37（6）：220?225.