基于云平台的智能家居气象站的研究与设计

朱敏玲，徐雅斌

（北京信息科技大学 计算机学院，北京 100101）

工业现代化的发展对人们赖以生存的环境产生了巨大的破坏，全球环境已经发生了很大的变化，如全球变暖、异常天气不断发生等[1]。天气状况及空气质量直接影响着人们的日常生活，人们每天最关心的话题之一。互联网未出现之前，人们主要从电视、广播及收音机中来了解天气；互联网出现后，可以通过网络查询[2]。但是这些查询结果都是大环境下的宏观参数，并不能完全准确表达出人们居住环境的局部状况。而每个人每天的家居生活平均约12个小时之多，因此，家居环境监测、报警和控制成为备受关注的课题。

家居环境质量除了受大气环境的影响还要受到周边环境和家庭各设施及使用情况的影响。故而，构建个人气象站，对家居环境进行监测和控制对于人们的生活和健康非常有必要。随着各种传感器、无线网络及随身携带的智能手机的出现，使得实时对家居环境的监测和远程控制成为可能[3]。本文针对我国日趋恶劣的生活环境及人们改善生活质量的急迫需求，基于云技术进行了智能家居气象站的研究与设计。

1 系统总体模型

如图1所示，系统中接入气象站所需各待测参数的专业传感器，并经过MCU（Micro-Control Unit）的处理后，将有效数据经过通信网络进行数据传输，再利用云端这个大的存储平台和各网络服务平台对数据进行分析、判断、表达和存储，并且发送至智能终端（目前主流的是智能手机，以下以智能手机替代智能终端）。此时，用户可通过智能手机所安装的与云平台配套的软件即可进行气象站数据的查看，也能够收到相关的报警和提示信息，用户根据这些报警和提示信息再通过智能手机、云端及数据传输网络向相关智能家电或设备发送控制信息，如当室内的空气质量不如室外好时，用户可通过智能手机发送命令打开窗户进行换气。

图1 系统构建模型

在此模型中，充分运用了云、网络及智能手机这些公用平台，开发者可仅仅着重考虑数据采集与处理及数据如何传输这些环节上，能够极大降低开发难度、周期与成本。同时，随身携带的智能手机使得用户能够实时查看天气和控制家居设备，如当在下班前，可通过智能手机开窗换气、打开空调或打开空气净化器等。本系统的硬件平台能够对温度、湿度、光照、大气压力及细颗粒物等5个主要气象要素进行实时采集和处理，并提供与云端的通信端口，及与智能家电或设备的控制端口和通信端口等。

2 关键技术研究与实现

2.1 数据采集与处理

本系统中在室外设置了两个气象数据采集点，室内可以根据需要设置多个数据采集点。室外每个采集站点都可采集温度、湿度、光照强度、大气压力及细颗粒物浓度；室内采集点可以采集温度、湿度和细颗粒物浓度；同时，MCU控制单元设置在某个室内采集点处。硬件上采用模块化设计方法，从而能大大降低维修难度和维护成本。温度、湿度、光照强度、细颗粒物浓度和雨量的测量都有相对应的传感器模块进行信号转换，以便于测量计算和采集。转换后的电信号的处理由成本较低的单片机模块完成信号的预处理，并利用其集成的通信模块完成信息数据的传输。

2.2 太阳能供电设计

因太阳能资源分布广泛且取之不尽，用之不竭，能为系统提供持续稳定的电能源，且能消除室外传统供电系统的布线烦恼，故而本系统设计了太阳能供电电路，如图2所示。LTC3105芯片[4]是一款同步升压型转换器，比较适合从高阻抗可替代电源收集能量，比如，光伏电池。LTC3105芯片从光伏电池收集能量，收集的电压范围可在225 mV～5 V这样比较宽的范围，通过它的转换后，可在4 V左右电压对锂电池进行稳定的充电。锂电池作为恒压源能保证在黑暗或光照很少时各个站点都能正常平稳的工作。

图2 太阳能供电电路

2.3 网络层的组建与设计

为利用云来实现数据转存、显示、远程监控及数据管理，以便气象采集与相关控制的网络化，合理的网络设计是必须的。本系统的通信网络采用了GPRS（General Packet Radio Service）无线组网技术，取缔传统有线的传输方式，使得系统没有传输布线成本。整个家居气象监控系统网络自上而下分为感知层、网络层和应用层，如图3所示，具体分析如下。

1）感知层。由室内与室外的监测站构成。各站点的传感器将采集到的各类信号转化为电信号，再通过数据采集模块将电信号转化为信息数据，然后利用GPRS数据终端模块将各类数据信息同步传送到云平台，最后完成对气象数据的“感知”工作。

2）网络层。由无线通信网络和支撑系统组成；通过GPRS的无线网络将各监控站点接入到云平台；云平台作为支撑系统是整个系统非常核心的部分。本设计利用乐联网云服务平台实现对感知层采集到的数据进行存储、分析和处理等工作。

图3 气象监控站网络结构图

3）应用层。用户通过乐联网发布的唯一访问接口对气象信息进行访问，用户终端（手机、PC及iPad）运用各自权限实现气象数据的浏览、历史查询、数据处理及系统设置等功能，为人们的穿衣、佩戴和智能家电的调控提供参考。

2.4 云存储、显示及数据管理

因气象信息具有明显的时间和空间特征，需进行多维空间的采集，其采集、整理加工及著录格式等环节都必须是科学、严谨和细致的，并且在实时性上要求较高，则数据量会更大[5]。因此，考虑到用户的操作简便和检索高效的需求，在气象数据存储与数据管理系统上做了特殊的设计。传统的气象存储与数据管理系统由路由器、服务器、交换机及显示器等系统硬件和Oracle、Sybase等数据库管理软件共同支持，显示部分需配套开发专用平台，并且为保证系统的连续性和数据的真实性，需要不断的备份[6]。故而，开发和维护成本都非常高。现在随着网络的发展，出现大量第三方的网络服务平台，如乐联网[7]。乐联网平台为用户提供了方便便捷的服务平台，如数据存储、数据分析与控制、API（Application Pro⁃gram Interface）及移动手机客户端接口等。

本设计利用此平台将测量数据实时转发到乐联网服务器上进行存储，并能将采集的数据分类存储，以便用户随时查询和分析，完成了云存储，这样使得存储和运营成本大幅下降。同时，用户可以随时查询不同时间点的气象数据，甚至几十年前的数据。在数据分析上，提供了通用的历史走势分析、数据分布统计及报警数据分析。而这些数据分析方法中，既有本站点的自身数据的分析，也有云数据的参考分析，并在分析后向智能手机发送报警信息，用户可根据这些报警信息向相关智能家电发送控制信息。同时，利用乐联网提供的手机应用程序，实现了手机对智能家电的远程控制。

3 实验分析

为验证该系统执行的效率，运用3D（Three Dimensions）打印技术搭建了仿真家居系统环境，如图4所示。在仿真的家居系统环境中，设置了一个室内监测站点和一个室外监测点；为替代真实智能家电的控制，以控制电机的方式来驱动窗户、空调的打开与关闭；差别环境的产生是通过人为制造局部环境，如制造局部室内站点烟雾。同时，在电路设计上，户外站点供电方式设计为光伏发电，绿色环保。当室内出现烟雾时，智能手机就会马上收到微信通知，如图5a所示。于此同时，在新浪微博上也会收到相应的通知（如图5b），在新浪微博里还会提供穿衣指数等更佳细节和温馨的提示信息。此时，用户可通过微信发送控制信息，打开窗户，相应的电机即可转动并打开仿真家居的窗户。在第三方网络平台也能实时看到监测结果，如图6所示，分别是温度、适度、大气压力、光照及细颗粒物测试结果。除了实时数据结果，本设计利用强大的云存储，能够存储近几个小时及近1个月的天气结果。

图5 微信与微博通知（截图）

图6 网络云平台显示结果（截图）

4 结论

本文提出的智能家居气象站理论模型，经实验验证具有继续研究和实际应用的可行性。系统设计环节中的关键部分是数据的有效采集与处理、网络的链接效果及与第三方网络平台的互操作性。在数据的有效采集方面，由于传感器性能的不断提高及种类的多样化，数据的有效采集已经不是难题，并且各智能算法的出现和完善，使得大量的数据处理方面也较为容易解决；网络的链接效果在此模型中起到至关重要的作用，不仅仅是网络能否链接上的问题，更重要的是实时性，目前实验系统中选用的GPRS网络能达到室内外数据传输的实时性，但是在响应速度上再快一些更好；第三方网络平台的支持程度也很重要，毕竟云端的网络平台的出现时间还不长，还是较新的事物，本系统在功能、内容及接口兼容等方面需进一步的开发与完善。

[1]JIMENEZ-GUERRERO P，MONTAVEZ J P，GOMEZ-NAVAR⁃RO J，et al.Impacts of climate change on ground level gas-phase pollutants and aerosols in the Iberian Peninsula for the late XXI century[J].Atmospheric Environment，2012，55（8）：483-495.

[2] 向驰川，周琦.一种基于GPRS远程传输的智能气象站[J].科技视界，2013（36）：180-181.

[3]MASHITA T，SHIMATANI K，LWATA M，et al.Human activity recognition for a content search system considering situations of smartphone users[C]//Proc.IEEE Visualization and Graphics Technical Committee（VGTC）：Costa Mesa，CA，United States，2012：1-2.

[4] 凌力尔特.凌力尔特推出400mA同步升压型DC/DC转换器[J].电子与电脑，2010（10）：86-86.

[5] 张民.网络环境下气象数据管理系统的设计与应用[J].科技传播，2013（3）：196-201.

[6]程雷.应用数据库技术实现气象电子数据资料的快速存储与检索研究[J].安徽农业科学，2013，41（15）：7028-7031.

[7] 岳敬华，张珣.智能社区云服务平台及服务模式研究[J].物联网技术，2013（9）：83-86.