摘要：智能家居中的传感器加速物联网技术能够提供个性化和智能配置,功能完善、客户端界面友好、使用便捷,具有很强的实用性、低时延、高可靠等特点,可以提升智能家居系统和服务的效率、响应能力和便利性,可以达到智能家居的远程化、智能化目的。
关键词：智能家居; 传感器加速技术; 物联网技术;
Sensors in Smart Homes Accelerate the Application of IoT Technology
ZHAO Xinyue
Zaozhuang Vocational College
Abstract：The sensor-accelerated Internet of Things technology in the smart home can provide personalized and intelligent configuration,complete functions,friendly client interface,convenient use,strong practicability,low latency and high reliability,and can improve the smart home system And the efficiency,responsiveness and convenience of services can realize the purpose of remote and intelligent smart home.
0 引言
近年来,智能家居发展势头越来越好,已经得到大规模普及。在产品研发、技术创新等方面,很多企业为了吸引消费者的关注,展开了激烈的竞争。而物联网技术是为了实现家居设备之间的信息共享与交换,借助采集单元使用互联网技术与无线传感技术,实现对智能系统的集成化管理,能够满足人们对智能生活的需求。也就是说,物联网技术是在互联网技术上进一步深化拓展的网络系统。目前,在智能家居等行业中,借助各种通信技术、传感器技术,物联网能够在用户毫无察觉的情况下自动完成工作,精确地根据用户的喜好为用户提供更加舒适的环境,不但能够帮助民众实现对住宅区域内各种设备的自动化控制,还能减少能源浪费,从而打造出更加令人满意的居住环境。
1 智能家居概述
智能家居理念始于美国联合科技公司,该理念一经提出,引起了人们的普遍关注,掀起了全球家居模式升级的热潮。通过各种通信技术、传感器技术与家居生活融为一体,构架家居的智能化管理系统,不仅能够提高家居的便利性、艺术性、安全性和舒适性,还能实现民众对网络通信、设备的智能化管理。事实上,智能家居能够将家居使用的各种电子设备、系统以及信息进行交换与共享,是一个家居信息数据的交互性平台。其具有以下几方面特征:一方面,智能家居系统中的各个子系统能够独立运转,但相互之间具有密切的联系;另一方面,系统的终端能够储存各子系统的信息,为各子系统提供操作界面。另外,智能家居系统具有多元化的控制方式,通过各种不同型号的设备、传输协议等,可以相互交换与共享。例如:通过遥控器、手机、电脑等终端,可以远程操作各种家居设备,将家居功能实现全智能化。
基于物联网技术的智能家居系统包括网络传输层、家庭环境感知互动层以及应用服务层。其中,传感器技术已广泛应用在智能家居系统中。例如:烟雾和可燃气体传感器可以检测室内火灾状况或者毒气泄漏;无线空气传感器和光线传感器可以探测室内的空气防尘、防污染和光线照明亮度等;磁传感器可以监控门窗的闭合状况;温度传感器可以监控室内采集设备的温度。
在智能家居中,规则的实施需要支持,如:根据数据库中的信息和相关的理论基础,系统收到触发信号之后,可以将信号转化成现实问题,并在引擎中核实问题。目前,分析数据常使用数学规划、优化技术、信息论、专家系统等方法。
2 传感器加速物联网技术在智能家居中的应用
智能家居可以精准地根据用户的喜好进行调整,为用户提供更加舒适的环境,不需要再点灯或者使用恒温器,还可以减少能源浪费。虽然目前一些高端建筑已经具备了很多此类功能,但这些功能依然对用户可见,通常是独立的[1,2,3]。为了增强物联技术提供个性化和智能配置的功能,本文主要对以下几个传感器的应用进行探讨。
2.1 在云连接技术中的应用
物联网主要指数以百万计的云连接服务,为了提供个性化的快捷服务,通过复杂的云端算法组合多个不同的数据流,是一个宽泛的术语。在有关推广物联网技术的讨论中,将节点连接到云技术和系统是一个重点问题,具有分析用户设备和其他类型物联网节点“大数据”的能力。云连接技术能够提升系统和服务的效率、响应能力和便利性,未来云系统的大部分数据输入来自传感器,数据输入决定着云端智能的性能。例如:智能照明系统需要环境光的光谱组成和强度相关的高精度信息。传感器承担着类似“人类”的工作,与低功耗无线IC和云计算系统一样,可以实时看到、闻到、感觉到和听到现实世界中正在发生的事情。
2.2 在智能照明控制中的应用
在20世纪,各种白炽灯照明技术占据主导地位,进入21世纪以来,出现了能控制颜色的个性化照明,人们越来越关注照明对健康和行为的重要影响。根据相关研究表明,人的身体具备调节昼夜节律的机制,而人的幸福感与光的光谱含量具有很大的联系,黄昏或者炉火的金黄光线会促进放松和宁静;明亮的蓝色光线会激活身体的激素反应。在家庭中,智能照明借助能够准确地测量人眼所见光的CCT芯片级颜色传感器,可以进行自动检测工作,检测出人工照明中日光的光谱含量变化。例如:艾迈斯半导体XYZ颜色传感器直接在晶圆上构建光学滤波器,采用先进的硅制造技术能够控制入射光的光电二极管光学响应,达到了前所未有的水平。在智能照明控制中,这种颜色传感功能可以根据个人需求,与脸部识别技术相结合之后自动调整照明。在蓝色波长的照明下,对可见光光谱蓝端的感知能力弱的老年人,能够更容易正确感知蓝色成分较强的物体。如:在智能家居中,可以根据儿童和祖父母的不同需求,灯光控制产生不同光谱输出。目前,这种技术不仅可以用于登记房间主人的身份,还可以应用于智能手机的面部识别,能够自动调整灯光的光谱含量。
这种传感器技术在继承多个微电子元器件的基础上,建立脸部识别技术,可以生成面部“深度图”,结构光发射器处理复杂的光电探测器捕捉到的反射光测量数据,通过微型激光器和集成微型光学设备,分析深度图来寻找与已知面部的潜在匹配。为了向OEM客户提供钥匙面部识别系统,艾迈斯半导体等传感器制造商正致力于提供集成系统。
2.3 在个性化室内环境中的应用
在室内环境中,与照明范围相比,实现个性化控制的愿景延伸到人们呼吸的空气。同样,在物联网系统中,半导体传感器解决方案能够实现个性化。如:最新一代气体传感器——CMOS,可以精确测量清洁产品、家具等产生的化学排放、烹饪产生的挥发性有机物(VOC)等气味和污染物的相对浓度。集成到安保网络摄像头或者智能扬声器等中枢设备的气体传感器,可以检测到有人进入房间,可以实时远程监测室内的家居环境。
芯片级气体传感器能够提供VOC浓度的原始测量。但需要将算法和固体集成到传感设备中,扬声器制造商才能将室内空气监测集成到智能扬声器等设备中,将相对气体浓度的原始测量值转换为可用信息,从而为室内空气质量监测创建完整的板载级解决方案,如室内空气质量评分等。
3 传感器加速物联网技术在智能家居中的应用实现
本文遵循物联网系统的三层设计模式,依赖于信息队列遥测传输协议,设计并实现了一个智能家居系统,探讨了传感器加速物联网技术在智能家居中的应用实现。系统分为3层:感知层负责获取数据,通过主控板控制传感器采集数据;网络层负责传输数据,包括接收来自感知层的数据,将应用层的控制数据传递给感知层的主控板两方面;应用层负责监控和数据呈现,通过程序完成界面显示。本系统的主控板使用ESP-12F WiFi模组,可以搭建本地网络,包括主控芯片WiFi芯片ESP8266,云服务器选择使用阿里的云服务器,通过温湿度传感器、光强传感器采集数据、光照强度信息,上传到小程序,然后通过分析完成对应家居模块的控制。烟雾传感器用于采集室内可燃气体的数据;红外传感器通过采集红外线数据用于感知是否存在活动物体;火焰传感器用于采集周围环境是否存在火焰,数据传递给小程序后,通过数据分析采取对应的处理方式。
3.1 硬件实现
云管端通信流程:WiFi网络连接依赖室内的3G/4G网络。基础模块传感器:温湿度传感器选择可靠性和稳定性较好的数字信号传感器DHT11;光照强度传感器能探测较大范围的光线强度,选择BH1750,使用方便灵活。安全模块传感器:烟雾传感器能够检测一氧化碳等燃烧产生的气体,选择MQ-9;火焰识别传感器的灵敏度可调节,布设多个,可以检测火焰,探测范围达60度左右;人体红外传感器通过采集红外数据能够分析室内的人员,采用HC-SR501。这3个传感器能够查看摄像头采集的实时视频数据,摄像头内部包含一颗32位的CPU,采用ESP32-cam摄像头开发板,通过WiFi将实时数据上传到服务器,能够确保在局域网内获取视频。
3.2 软件实现
智能家居服务器采用阿里云物联网平台进行接入,能够实现对传感器的操作,能够提供丰富的协议和接口;数据呈现和控制由微信小程序客户端实现,小程序对服务器发起请求,对家居模块发起控制操作,调取传感器采集的数据。阿里云物联网平台创建物联网应用非常简单,云端和主控板通过ESP8266相连,主控板需要对云端做对应的配置。微信小程序为系统客户端,通过MQTT服务器连接小程序与阿里云,在阿里云服务器上存放MQTT协议栈和数据库,部署物联网设备管理系统,用于管理设备和主题。
3.3 系统测试
本系统强化了智能家居系统的安全功能,用户只需要输入用户名和密码就可以完成登录,登录成功进入控制界面,并通过点击各选项完成智能访问和控制。当设备附近出现用打火机打火时,小程序就会提示家里着火,并且用户可以调用摄像头查看家里的实际情况,如果真着火,就可以及时拨打119电话。
4 结 语
本系统主要通过MQTT传输协议和微信小程序,利用阿里云物联网平台完成智能化管理。并且通过烟雾传感器、火焰识别、红外传感器和摄像头等能够完成对室内着火现象和人为入侵事件的监控,加强对室内的安全监控。
参考文献
[1]杨益,刘青林.物联网传感器技术在智能家居中的应用研究[J].通讯世界,2019,352(9):233-234.
[2]孟琨泰,张莉,孙瑞,等.论物联网传感器技术在智能家居中的应用[J].数码世界,2020,175(5):38.
[3] 徐彬.物联网传感器技术在智能家居中的应用研究[J].数字化用户,2018,24(20):40.
