技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于物联网的家居室内空气质量监控方法和系统，属于
嵌入式系统设计、物联网和智能家居的技术领域。
背景技术
[0002] 近年来，环境污染日益严重，已经成为了制约我国的经济发展和人民的日常生活的重要问题。其中，空气污染与每个人息息相关，更是社会关注的重点。对比环保部
门每天都会发布的各城市的室外空气污染指数，室内空气污染往往被忽视。室内空气污染是指由于各种原因导致的室内空气中有害物质超标，进而影响人体健康的室内环境污染行为。有害物包括颗粒物、甲
醛、苯、
氨等。随着污染程度加剧，人体会产生亚健康反应甚至威胁到生命安全，是日益受到重视的人体危害之一。根据清华大学近期发布的首个室内空气污染公益调研报告的结果表明，“北京室内空气有1/3的时间处于“污染”等级，人均室内PM2.5的吸入量是室外的4倍，办公室的空气质量比家中要好，
空气净化器等有明显的作用。
[0003] 现有的空气质量监测系统等着重于室外空气质量监测，考虑到室内空气质量问题的并不多。即使有那些号称室内空气质量监测团队，检测技术也不尽规范，无法得到国家相关执行标准，个人对于室内空气质量检测不受国家相关法规肯定。除此之外，现有室内空气质量检测具有实时性差，需要携带设备进行实现、操作复杂，场所适应性较差，与智能管理系统兼容性低、可扩展性差，检测成本高，检测数据的暂时性等问题。而“空气净化器”自带的空气质量检测功能，又有探测范围受限、探测
精度不高以及对探测结果的运算分析能
力弱等不足。
[0004] 目前室内家居环境当中缺少经济有效的空气污染监测的方法和手段。例如人们十分关注的PM2.5，环保部门的监测点数量有限且都在室外，而室内的情况如何则无从而知。又如新买的家具、新装修的新房里散发出来的甲醛、苯等挥发性气体是家居当中的一大主要污染源，是产生很多恶性
疾病的罪魁祸首，通常情况下人们只能请来环保部门的专业人士使用专门的仪器才能测量，费时费力费钱，更主要的是对自身健康的担忧。再如对于厨房油烟和火灾时的烟雾报警，虽然目前部分高档小区已经配备了烟雾报警器，但由于实际使用当中经常出现的错报、误报以及安装
位置不合适和设置使用不便等问题而往往被当作是“鸡肋”。
发明内容
[0005] 本发明目的在于解决上述
现有技术的不足，提供了基于物联网的家居室内空气质量监控方法和系统，该系统紧密结合智能家居，不但实现对空气参数的监测，而且可对所测数据进行分析后实现对
空调、空气净化器、
抽油烟机等家电的智能控制，很好地提高了系统的智能化程度。
[0006] 方法流程：
[0007] 步骤1：首先搭建基于物联网技术的室内空气质量监测网络，通过
电路设计将终端的传感
节点与相关的
传感器进行连接，按照室内的房间的不同布置若干个终端的传感节点，其中的每个传感节点都拥有唯一的ID号用于识别，同时布置一个网关节点承担网络的建立和数据汇聚。
[0008] 步骤2：搭建PC端的网关节点用于接收反馈数据，拟自主编写PC端可用
软件代码，然后与网关节点的对接，在PC端向用户呈现
可视化图形界面。界面上分为若干个功能图形标志。管理员和用户可通过在图形界面上选择接收数据和分析功能，实现对网关节点收集的数据的接收并将数据上传到网络，对空气参数数据进行分类和处理分析。还可以通过选择设置
阈值功能来限定启动PC端监控软件的报警功能。
[0009] 步骤3：搭建基于Andriod平台的的移动终端的实时监控，在每位用户的手机上进行安装，通过与空气质量监测网络模
块的对接，对室内空气质量的实时监控，在接收基于网关节点传送的数据后，用户可通过该软件显示即
时空气质量
颜色警示模拟图实现实时的监测，再通过超过预定阈值警示用户，使用户自我判断是否进行操作实现对室内空气质量的调节控制。
[0010] 步骤4：搭建用于电视端的实时监控，用户将网关的HDMI
接口连接电视后便可方便快速地了解到监控信息，从而避免对无线局域网和电脑的过分依赖。
[0011] 步骤5：网关节点首先建立星型网络，每个传感节点在完成组网后通过相连的检测空气参数的传感器按照
指定的时间间隔采集
信号，随后将信号通过放大、模数变换等处理后得到原始数据，接着按照预先定义的
帧格式重新组帧后将数据发送给网关节点。
[0012] 步骤6：将网关节点通过WIFI连接上网络，并通过HDMI线连接至电视，用户便可通过PC端
监控系统利用电脑查看监控信息，或者利用电视端监控系统进行查看，还可利用移动终端监控系统通过手机或者
平板电脑进行方便快捷的查看。若一旦室内空气出现异常情况，用户还可通过电脑、电视或手机收到实时的警报。
[0013] 步骤7：将网关节点
中红外信号转发模块的红外发射器布置合适位置，确保家电可以顺利接受到转发的红外信号。
[0014] 本发明还提供了一种基于物联网的家居室内空气质量监控系统，该系统包括室内空气质量监测网络模块和实时监控反馈模块。
[0015] 室内空气质量监测网络模块的功能是实时监测室内空气质量参数，为PC端、电视端以及手机端显示所监测到的空气质量信息提供数据。
[0016] 室内空气质量监测网络模块包括传感节点和网关节点。
[0017] 传感节点包括传感器模块、
控制器模块、
无线通信模块和红外信号转发模块。
[0018] 传感器模块负责采集前文所述的各种空气质量参数。再通过接口电路将这些所采集到的数据传递给控制器模块。
[0019] 控制器模块是整个系统的控制中心，负责采集传感器模块的数据并加以处理。
[0020] 无线通信模块可以在节点之间形成自组织网络，一方面接收控制器模块传来的已处理过的数据，另一方面将数据通过自组织网络选择合适的路径上传至网关节点。
[0021] 红外信号转发模块连接控制器模块。实现依据家居室内空气环境的实时情况而调整对相关家电的控制的功能。
[0022] 网关节点包括无线通信模块、控制器模块、网络通信模块。
[0023] 无线通信模块接收传感节点通过无线网络传送的数据。
[0024] 控制器模块通过串口接收无线通信模块传来的数据，再通过处理器处理后将数据转发给与之相连的网络通信模块。此外，控制器模块还可连接电视机显示信息。
[0025] 网络通信模块将从控制器模块收到的数据上传至互联网，最后放送至实时监控平台。
[0026] 实时监控反馈模块的功能是查看室内空气质量实时情况，接收警报，PC端和移动终端可对所测数据进行分析后实现对空调、空气净化器、抽油烟机等家电的智能控制。
[0027] 实时监控反馈模块包括PC端监控系统、电视端监控系统和移动终端监控系统。
[0028] PC端监控系统模块在PC端设计图形
用户界面让用户可以详细查询家居室内空气质量的各种详细参数信息，并且支持用户设置报警阈值、下载数据等功能。
[0029] 电视端监控系统模块在电视机上显示监控信息。
[0030] 移动终端监控系统模块让用户可以利用手机或者平板电脑通过软件方便及时地查看相关的监测信息。
[0031] 本发明系统是由上述模块联合实现对室内空气质量监测网络采集并传输来的数据进行实时更新和显示，并支持用户的自定义设置。
[0032] 有益效果：
[0033] 1、本发明通过
无线传感器网络实现各节点之间的通信，无需布线，结构简单，安装维护简便。
[0034] 2、本发明采用的是低成本高性能的解决方案，性价比高。
[0035] 3、本发明采用从用户
角度出发的人性化设计，设计合理，实时性好。用户可以通过多种方式实现对空气参数的监测。
[0036] 4、本发明采用模块化设计的思想，可扩展性强，并且可按照用户的实际需求进行模块化订制。
[0037] 5、本发明紧密结合智能家居，不但实现对空气参数的监测，还可对所测数据进行分析后实现对空调、空气净化器、抽油烟机等家电的智能控制，系统的智能化程度高。
[0038] 6、本发明采用物联网的构架设计出的模块化、可扩展性强的嵌入式系统设备来实现对家居室内环境中的各种空气污染物的在线实时监测，并可通过传感节点和网关节点相结合，接收中断
请求信号，利用操作PC和手机端进行对空调、空气净化器等家电的智能控制实现家居环境中空气质量的人工调节以及利用设置智能模式实现
自动调节。
附图说明
[0039] 图1为基于物联网的家居室内空气质量监控方法的系统架构图。
[0040] 图2为基于物联网的家居室内空气质量监控方法的实物部署图。
[0041] 标识说明：1-表示路由器，2-表示PC，3-表示手机，4-表示TV，5-表示空调，6-表示抽油烟机，7-表示换气机，8-表示空气净化器，9-表示
加湿器。
[0043] 图4为网关节点的方法流程图。
具体实施方式
[0044] 下面结合
说明书附图对本发明创造作进一步的详细描述。
[0045] 如图1所示，本发明整个监控系统包括两种节点，即一种为传感节点，一种为网关节点。传感节点由四个模块构成：分别为无线通信模块、控制器模块、传感器模块和红外信号转发模块。网关节点由三个模块组成：网络通信模块、控制器模块和无线通信模块。每个节点的无线通信模块通过ZigBee协议栈建立起适用于家居环境的星型网络。
[0046] 监测模式：(在如图4中网关节点初始化并建立好网络。)如图3所示，本发明先将传感节点初始化等待图4网关节点网络建立完毕，将传感节点加入到网络中去，加入网络成功之后，在没有中断请求的情况下，通过传感器模块上搭载的各种传感器监测室内空气质量环境的变化，将采集的空气质量参数通过控制器上的I/O口传送给控制器；控制器对数据进行处理并标记该传感节点的ID号，然后将数据打包发给无线通信模块；无线通信模块根据ZigBee无线通信协议将数据通过建立的星型网络转发给网关节点。此时，如图4所示，在传感节点加入网络的同时，在没有中断请求的情况下网关节点的无线通信模块通过星型网络接收各传感节点的数据并传送给控制器模块；控制器模块对数据包进行分析，识别各传感节点的ID号以识别监测的数据类型，然后对数据进行处理并将处理过的数据通过网络通信模块上传至无线路由器，至此整个监测的数据已经成功上传至互联网，同时上传
云端网络——在此之后，在PC端接入云端网络后，启动安装在PC端的监控
系统软件便可实现对监测数据的实时和完整的显示；除此之外，在移动终端，本发明可以在手机或平板电脑上安装移动终端的实时监控系统软件，同样可以实现实时监测功能——移动终端解决了地域限制问题，使用户可以远距离遥控监测；此外，为了适应没有部署好互联网的室内环境，同时更方便的显示监测数据，网关节点的控制器模块还可通过板载的HDMI接口连接电视机，而后利用安装在网关节点上的电视端的实时监控系统软件显示数据。本发明另一大特色是，在网关节点控制器处理数据时，可以利用PC或移动终端事先设置好各种监测数据的阈值，如果监测数据超过该阈值，控制器模块将会对数据进行标记，这些数据可清晰地在PC、移动终端和电视机上显示出来。
[0047] 控
制模式：在上述监控模式正常运行的
基础上，如图3和图4所示，在PC端和移动终端上显示数据时，一旦发生了阈值报警，用户可以通过PC或移动终端对相应的家电进行控制。PC端或移动终端发出
控制信号即中断请求，如图4所示，该控制信号接入互联网并通过无线路由器转发至网关节点的网络通信模块；网络通信模块转发控制信号给控制器。因为PC端和移动终端对监测数据的显示是按照传感节点ID号分别显示的，所以控制信号也是按照相应的ID号进行标记；当网关节点的控制器模块接收到控制信号后，对控制信号进行分析，识别ID号后将控制信号通过无线通信模块转发给相应的传感节点。此时如图3所示，传感节点的无线通信模块接收控制信号(即中断请求发生)后转发给控制器模块，控制器模块识别数据后按照用户的要求处理数据并对红外信号转发模块发出相应的控制信号；红外转发模块的红外发射器发出相应的红外信号实现对家电的控制，直至监测数据低于阈值
水平。此外，系统还可以设置智能控制模式，依据事先设置好的阈值，使系统可以根据环境的变化自动发出控制信号以调节家电的状态。
[0048] 本发明系统是模块化的，可以根据用户需求灵活搭配，考虑到家居生活当中可能会遇到的各种空气污染或是突发性事故，该系统可提供丰富的选项，将可供选择监测的空气质量参数分类如下：
[0049] (1)舒适度监测：最常规的
温度、湿度监测；
[0050] (2)粉尘监测：目前受普遍关注的PM2.5和PM10；
[0051] (3)烟雾监测：火灾产生的烟雾，炒菜产生的油烟；
[0052] (4)挥发性气体监测：主要是甲醛和苯；
[0053] (5)
液化气监测：对液化气、
煤气是否
泄漏进行监测；
[0054] (6)特殊监测：氨气、
硫化氢、氮气等等特殊气体。
[0055] 本发明系统主要包括室内空气质量监测网络和实时监控平台两部分。二者的具体描述如下：
[0056] 1.本发明所述的室内空气质量监测网络包括传感节点和网关节点。
[0057] 1.1)本发明所述的传感节点包括以下主要的功能模块：传感器模块、控制器模块、无线通信模块和红外信号转发模块。
[0058] 1.1.1)本发明所述的传感器模块负责采集前文所述的各种空气质量参数，根据用户的需求可以选择若干种传感器，包括舒适度监测中的温度传感器和
湿度传感器，粉尘监测中的PM2.5传感器和PM10传感器，烟雾监测中的烟雾传感器，挥发性气体监测中的甲醛传感器和苯传感器，液化气监测中对液化气和煤气监测的传感器，以及对氨气、硫化氢、氮气等特殊气体监测的传感器。这些传感器采集到数据后
输出电压，通过接口电路进行放大和A/D变换后传递给控制器模块。
[0059] 1.1.2)本发明所述的控制器模块选用某公司的AVR
单片机Atmega 168，是整个系统的控制中心，负责采集传感器模块的数据并加以处理。
[0060] 1.1.3)本发明所述的无线通信模块选用TI公司的CC2530芯片，通过采用IEEE802.15.4标准的Zigbee技术，可以在节点之间形成自组织网络(例如网状网络、星型网络和树状网络)。无线通信模块一方面通过串口与控制器模块相连，接收控制器模块传来的已处理过的数据，另一方面将数据通过自组织网络选择合适的路径上传至网关节点。
[0061] 1.1.4)本发明所述的红外信号转发模块连接控制器模块。控制器模块将控制信号发送给红外信号转发模块，将信号变换为空调、空气净化器等普通家电可识别红外信号，从而实现依据家居室内空气环境的实时情况而调整对相关家电的控制的功能。
[0062] 1.2)本发明所述的网关节点包括无线通信模块、控制器模块、网络通信模块。
[0063] 1.2.1)本发明所述的无线通信模块依然选用CC2530芯片，作为接收方接收传感节点通过无线网络传送的数据。
[0064] 1.2.2)本发明所述的控制器模块选用使用ARM10作为处理器的树莓派(Raspberry Pi)开发平台。控制器模块通过串口接收无线通信模块传来的数据，之后经过处理器的处理，将数据转发给与之相连的网络通信模块。此外，控制器模块还可通过板载的HDMI接口连接电视机显示信息。
[0065] 1.2.3)本发明所述的网络通信模块选用WiFi RN171网络扩展板。该模块负责完成网络层的功能，将从控制器模块收到的数据上传至互联网，最后放送至实时监控平台。
[0066] 2.本发明所述的实时监控系统对室内空气质量监测网络采集并传输来的数据进行实时更新和显示，并支持用户的自定义设置。具体包括PC端监控系统、电视端监控系统和移动终端监控系统。
[0067] 2.1)本发明所述的PC端监控系统是通过VC或者Labview等软件在PC端设计编写的
图形用户界面。用户可以通过PC端监控界面详细查询家居室内空气质量的各种详细参数信息，并且支持用户设置报警阈值、下载数据等功能。
[0068] 2.2)本发明所述的电视端监控系统是通过在上述的1.2.2中控制器模块中进行编程，利用板载的HDMI接口连接电视机进行监控信息的显示。
[0069] 2.3)本发明所述的移动终端监控系统是在Andriod系统下利用JAVA语言编写的软件。用户可以利用手机或者平板电脑通过软件方便及时地查看相关的监测信息。
[0070] 本发明基于物联网的家居室内空气质量监控方法的实物部署如图2所示，由于在每个房间关心的数据不同，这就要求在不同房间监测不同的数据。例如，在卧室中部署的传感节点上的传感器实时监测着室内粉尘和挥发性气体的指标；另一方面，系统可以根据卧室中空气环境通过传感节点上的红外信号转发模块发射红外信号以控制空气净化器的工作状况，使卧室的空气状况恢复正常水平；类似地，在书房、客厅、卫生间和厨房也部署与欲监测数据相对应的传感节点用来分别采集各种空气参数并控制包括加湿器、空调、换气机和抽油烟机等家电的运行以维持健康舒适的家居空气环境。作为网络的发起者和核心节点，网关节点被部署在客厅中。在普通面积的户型当中，网络的拓扑方式设置为星型拓扑。当户型面积很大，房间较多时，传感节点无法在一跳范围内与网关节点实现通信，可以设置为网状网络的拓扑结构以保证网络的连通性。
[0071] 本发明传感节点的工作流程如图3所示，由网关节点建立星型拓扑网络，传感节点加入网络；每个传感节点都区分监测模式和控制模式，控制器需要判断要执行哪种模式。正常情况下传感节点都是工作在监测模式下，持续监测室内空气环境。当传感器模块采集信号并转发至控制器后，控制器默认没有发生中断请求，传感节点继续工作在监测模式；当有控制信号从无线通信模块转发至控制器，控制器则认为发生了中断请求，此时控制器响应中断请求，停止接收传感器模块传送的监测数据，转入执行相应的中断服务程序，对控制
信号处理后向红外信号转发模块发出控制信息，从而实现对家电的控制。
[0072] 如图4所示，本发明网关节点初始化并建立星型拓扑网络，等待传感节点加入网络；与传感节点类似，网关节点同样分为监测模式和控制模式。正常情况下，网关节点的控制器接收无线通信模块传送的监测数据，处理后转发给网络通信模块或通过板载的HDMI连接电视显示。当有控制信号从网络通信模块传送至控制器模块，控制器则认为产生了中断请求；此时控制器模块停止接收无线通信模块传送的数据，响应中断请求并执行相应的中断服务程序；控制器发送控制信号给无线通信模块，继而传送给ID相对应的传感节点。
[0073] 如图3和4所示，本发明提供了一种基于物联网的家居室内空气质量监控方法，该方法包括如下步骤：
[0074] 步骤1：首先搭建基于物联网技术的室内空气质量监测网络，通过电路设计将终端的传感节点与相关的传感器进行连接，按照室内的房间的不同布置若干个终端的传感节点，其中的每个传感节点都拥有唯一的ID号用于识别，同时布置一个网关节点承担网络的建立和数据汇聚等功能。
[0075] 步骤2：然后搭建PC端的监控报警系统，开发一套用于PC端的监控软件。目前现有基于PC端的监控软件大多主要采用与摄像头相结合的技术。本发明基于搭建网关节点来接收反馈数据，拟自主编写PC端可用
软件代码，实现与网关节点的对接，在PC端向用户呈现可视化图形界面，界面上分为若干个功能图形标志。管理员和用户可通过在图形界面上选择接收数据和分析功能，实现对网关节点收集的数据的接收并将数据上传到网络，对空气参数数据进行分类和处理分析。还可以通过选择设置阈值功能来限定启动PC端监控软件的报警功能。
[0076] 步骤3：接着搭建基于Andriod平台的的移动终端的实时监控使用系统不同于现有的移动终端视频监控系统，本发明拟利用JAVA语言开发一套基于Andriod平台的室内空气环境监控软件使用系统，在每位用户的手机上进行安装。通过与空气质量监测网络模块的对接，实现对室内空气质量的实时监控，在接收基于网关节点传送的数据后，用户可通过该软件显示即时空气质量颜色警示模拟图实现实时的监测，再通过超过预定阈值警示用户，使用户自我判断是否进行操作实现对室内空气质量的调节控制。
[0077] 步骤4：搭建用于电视端的实时监控系统：开发一套基于树莓派开发平台上的用于连接电视端使用的实时监控软件。用户将网关的HDMI接口连接电视后便可方便快速地了解到监控信息，从而避免对无线局域网和电脑的过分依赖。
[0078] 步骤5：网关节点首先建立星型网络，每个传感节点在完成组网后通过相连的检测空气参数的传感器按照指定的时间间隔采集信号，随后将信号通过放大、模数变换等处理后得到原始数据，接着按照预先定义的帧格式重新组帧后将数据发送给网关节点。
[0079] 步骤6：将网关节点通过WIFI连接上网络，并通过HDMI线连接至电视，用户便可通过PC端监控系统利用电脑查看监控信息，或者利用电视端监控系统进行查看，还可利用移动终端监控系统通过手机或者平板电脑进行方便快捷的查看。若一旦室内空气出现异常情况，用户还可通过电脑、电视或手机收到实时的警报。
[0080] 步骤7：将网关节点中红外信号转发模块的红外发射器布置合适位置，确保家电可以顺利接受到转发的红外信号。
