基于Arduino 的家居环境物联网监测系统的设计与实现

王 磊，袁 英

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引 言

根据不完全统计，家居环境适宜性是影响人体身心健康的主要因素之一[1]。在人们的生活质量不断提高的今天，家居环境监测也日益受到关注。与此同时，随着社会群体居住方式、居住理念的改变，人们对家居环境的智能化需求越来越高。随着行业的发展，信息化、数字化、智能化、网络化建设工作已经逐步在普通民众家庭开展，并为人们提供了适宜、高效、便捷的智能化、物联网生活空间。为满足居民的生活需求，家居环境物联网监测系统应运而生[2]。在深入市场调研中发现，大部分传统家庭居住环境的安全系数相对较低，不能及时处理诸如煤气泄漏、家庭设备失火、敏感报警等危险状况。因此，传统的家居环境监测系统在实时、准确地处理各种突发情况、实时获得室内环境信息与智能监测等方面仍存在着局限性[3]。为解决此方面问题，提高居民居住环境的适宜性与安全性，本文通过引进Arduino，开发一种面向家居环境的物联网监测系统。旨在通过此次设计，实现将智能化技术与家居生活建立紧密联系，提高居民生活的便捷性。

1 监测系统架构

为确保开发的监测系统可以在实际应用中发挥预期的效果，设计系统前，以物联网作为支撑，设计系统友好登录、展示界面，集成开源电子硬件，设计如图1 所示的系统架构[4]。

图1 监测系统架构

如图1 所示，采用Arduino-R3 开源硬件平台作为该系统的主要控制元件，通过与R3 板相连的三个传感器，可以实现对家居环境中温度、湿度、烟雾、PM2.5等指标的实时监测与反馈[5]。在此基础上，利用LCD 液晶显示屏，将数据在终端展示，配合R3 芯片的以太网模块，将数据上传到系统终端Yeelink 云平台，从而实现终端数据的采集、控制端的传输、云端的显示。

物联网中含有大量的ZigBee 节点，在云空间内将ZigBee 节点收集到的数据转交给Controller，通过串口将数据资料传送到本地网关，再通过Internet 访问[6]。最后，将所有的数据保存到MySQL 数据库中。每隔3 s，客户机就会发出一个请求，在数据库中提取感知数据，再将数据转换成JSON 格式，然后发送到客户端。客户机收到JSON 数据后，在主要接口中显示不同环境参数。

2 硬件设备

2.1 Arduino 开源硬件选型

为确保开发的系统可以实现对家居环境的实时监测与反馈，选择UNO R3 开源硬件设备，作为系统的主要硬件[7]。技术参数见表1 所列。

表1 UNO R3 Arduino 开源硬件技术参数

将UNO R3 Arduino 开源硬件与系统中的以太网扩展板连接，根据系统运行中的实际需求，调试硬件设备参数，在网络协议的支撑下实现对监测数据的在线传输。

2.2 传感器选型

根据家居环境监测需求，该系统中集成了温度、烟雾与湿度传感器，本次研究以温度传感器为例，技术参数见表2所列[8]。

表2 温度传感器技术参数

感温元件采用进口产品，具有灵敏度高、低功耗、待机电流小于3 μA 等优势；相比一般传感器，此型号的传感器寿命更长。应用过程中，根据家居环境的整体布局与监测重点，在不同的位置布置一个或多个传感器，将传感器与通信终端建立连接，实现对家居环境的实时监测。

3 基于Arduino 的家居环境监测通信设计

完成上述设计后，在硬件设备的支撑下，引进Arduino，展开家居环境的监测通信设计。在此过程中，应明确Arduino电子硬件与系统服务器之间的通信方式主要有HTTP通信和Socket通信两种。前者采用“请求—回应”的通信模式，只有当客户提出要求时，终端才会建立连接[9]。而Socket 通信则是在数据传送之前将各个终端连接起来，然后再进行数据传送。

开发该系统的目标是让客户端使用者可以在移动APP 上实时地查看家居环境中的各项环境参数，并可以实现对监测数据的快速更新与及时反馈。为确保通信工作可以达到预期效果，采用HTTP 技术进行系统通信，客户端每隔3 s 向服务器发送一次“get”请求。如需要对网络资源进行存取，则根据通信工作的具体需求，设计对端通信模式。

数据采集过程中，由CC2530 芯片进行前端数据的初始化处理。激活系统稳压电路后，为CC2530 提供电源，使系统中的AT89S52 芯片处于正常工作状态。在此基础上，激活CC2530 晶体振荡，设置控制寄存器参数，并选定数据通信信道；在CC2530 的晶体振荡稳定后，开启全局中断，结束数据发送初始化程序[10]。CC2530 驱动程序在IEEE80215.4中进行数据的封装和初始检查；完成对数据帧的检测后，即可驱动系统通信程序进行传感器反馈与监测数据的接收。数据发送过程中，数据中心需要先确定前端传送的数据格式为标准格式，如果数据格式不满足需求，传送的过程会停止；如果数据传输信道处于空闲状态，且数据格式标准，数据中心会驱动程序，在TXFIFO 上写下数据帧标题和数据体，确保协议无误后，开始数据传输。传输过程中，CC2530 可以根据传输需要，单独设定终端数据的接收方式。通常情况下，数据接收工作于缓冲区。在缓存传输方式下，通常会使用128 位TXFIFO 缓冲区；在此种接收方式下，若要储存接收资料，需要使用相同尺寸的RXFIFO 缓冲区进行数据接收匹配。按照上述方式，实现基于Arduino 的家居环境监测通信设计。

4 家居环境物联网监测数据评估与预警

确保系统对端之间建立通信连接后，采集家居环境物联网监测数据，将数据传输到系统处理中心，清空中心环境变量数据，设计训练条件，进行监测中心数据的初始化设计。完成上述设计后，引进T-S 网络，对录入的数据进行预处理。在此过程中，应确定网络的输入节点数量、隐含节点数量与循环训练次数，使用Map-Min-Max 对数据进行归一化处理。处理过程计算公式为：

式中：y表示训练后输出的数据集合；G表示数据训练规则；n表示模糊算子；i表示训练次数。根据数据属性，对其进行分类。在此基础上，根据计算结果，进行家居环境的适宜度评价。评价过程计算公式为：

式中：Y表示家居环境的适宜度评价；P表示评价项目；j表示适宜度指标（参照阈值）；N表示常数项。完成上述计算后，设计家居环境的适宜度评价标准，相关内容见表3 所列。

表3 家居环境的适宜度评价标准

按照上述方式，结合采集的数据，进行家居环境适宜度的评价；根据评价结果，划分家居环境类别。在此基础上，用户（客户端）可以在其自己的控制终端，进行家居环境监测指标阈值的设定。在监测过程中，当某项反馈的指标超出阈值范围时，终端将自动触发系统预警，以此种方式实现家居环境物联网监测数据评估与预警，完成基于Arduino 的监测系统的开发和研究。

5 对比实验

上文以Arduino 作为支撑，从硬件选型与软件规划两个方面，完成了家居环境物联网监测系统的设计与开发。为实现对开发系统的测试，以某地区开发商承接的智能化居民建筑工程项目为例，将本文开发的系统集成在智能化建筑主控终端，设计对比实验，对试验区域展开监测。

为给系统提供一个相对良好的运行环境，按照表4 所列的内容，设计系统软件程序的作业环境。

表4 家居环境物联网监测系统软件程序作业环境

在上述设计基础上，选择系统硬件设备，建立监测终端传感器与客户端之间的通信连接。传感器反馈的数据将通过物联网传输到处理中心，处理中心直接根据反馈的数据进行家居环境的在线监测与评估；当评估后发现家居环境内某项指标超出安全范围后，主动触发系统预警，预警信息被反馈在客户端显示界面，以此实现对家居环境的监测。

为提高实验结果的客观性，选择基于STC89C52 单片机的监测系统、基于多传感器信息融合的监测系统，分别作为对照组系统1 和对照组系统2，使用本文系统与对照组系统进行家居环境的在线监测。监测过程中，安排技术人员在系统监测环境进行各项指标的人工测量。例如，在系统反馈监测数据时，由技术人员在现场使用温度计、湿度计等进行环境测量。对比系统监测结果与人工测量结果发现，相比传统系统而言，本文开发系统在实际应用中的效果更好。实验结果见表5 所列。

表5 系统监测结果对比

根据表5 所列的实验结果可以看出，此次实验共设置了三个指标，分别为温度指标、湿度指标与烟雾浓度指标。根据系统监测结果与人工测量反馈结果可以看出，本文系统监测的家居环境各项指标具体数值与人工测量结果基本一致，而对照组系统监测的家居环境各项指标具体数值与人工测量结果偏差较大。因此，相比传统的监测系统，本文开发的基于Arduino 的监测系统应用效果良好，可以精准监测到家居环境各项指标的变化，实现环境状态的实时感知。

6 结 语

本文通过引进Arduino，从家居环境监测通信设计、家居环境物联网监测数据评估与预警两个方面出发，开发了面向家居环境的物联网监测系统。对开发的系统经过对比测试发现，其可以精准监测到家居环境各项指标的变化，实现环境状态的实时感知。对此次设计成果可以进行领域推广，但要对设计方法在智能化建筑居民住户中推广使用还需要在后续设计中进一步优化。例如，选择性能更优的硬件作为系统硬件，以此实现对系统综合性能的深化。