一种基于物联网的家庭环境监测装置及方法与流程

本发明涉及智能监测领域，尤其涉及一种基于物联网的家庭环境监测装置及方法。

背景技术

室内环境包括居室、写字楼、办公室、交通工具、文化娱乐体育场所、医院病房、学校幼儿园教室活动室、饭店旅馆宾馆等场所，所有室内环境质量的优劣与健康均有密切的关系，家居环境是家庭团聚、休息、学习和家务劳动的人为小环境，家居环境卫生条件的好坏，直接影响着居民的发病率和死亡率，环境保护愈来愈受到人们的重视，但有很多人还没有意识到室内环境质量对健康的影响。城市居民每天在室内工作、学习和生活的时间占全天时间的90%左右，一些老人、儿童在室内停留的时间更长，因此，居室环境与人类健康和儿童生长发育的关系极为密切。

现有技术中对家庭环境的监测仅使用传感器对室内的环境参数进行监测，但并未对传感器测得的环境参数进行信号处理，因而监测精度不高，不能使人们对自身居住环境进行有效了解，进而不能满足人们对居住环境日益增强的需求。

技术实现要素：

因此，为了解决上述问题，本发明提供一种基于物联网的家庭环境监测装置及方法，利用中央处理器、温度传感器、第一信号处理电路、湿度传感器、第二信号处理电路、图像采集装置、图像处理装置、甲醛传感器、zigbee模块、用户手机、显示装置以及存储装置，对温度传感器和湿度传感器测得的温湿度参数进行信号处理，提高了环境监测的精度，能使人们对自身居住环境进行有效了解，还可通过图像采集装置采集户门外的图像信息，并将上述温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度传输至用户手机，使用户及时获知室内环境情况。

根据本发明的一种基于物联网的家庭环境监测装置，其包括中央处理器、温度传感器、第一信号处理电路、湿度传感器、第二信号处理电路、图像采集装置、图像处理装置、甲醛传感器、zigbee模块、用户手机、显示装置以及存储装置；

其中温度传感器、湿度传感器以及甲醛传感器设置于室内，图像采集装置设置于入户门上方，温度传感器的输出端与第一信号处理电路的输入端连接，湿度传感器的输出端与第二信号处理电路的输入端连接，图像采集装置的输出端与图像处理装置的输入端连接，第一信号处理电路的输出端、第二信号处理电路的输出端、图像处理装置的输出端以及甲醛传感器的输出端均与中央处理器的输入端连接，显示装置的输入端和存储装置的输入端均与中央处理器的输出端连接，中央处理器与zigbee模块双向通讯连接，zigbee模块与用户手机双向通讯连接。

优选的是，温度传感器设置于室内，用于采集室内温度，温度传感器将室内的温度转换为电压信号v0，并将电压信号v0传输至第一信号处理电路，经过第一信号处理电路处理后的电压信号为v1，第一信号处理电路包括电阻r1-r9，电容c1-c2以及集成运放a1-a2；

其中，电阻r1的一端与温度传感器的输出端连接，电阻r1的另一端与集成运放a1的反相输入端连接，电阻r1的另一端还与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r2的一端接地，电阻r2的另一端与集成运放a1的同相输入端连接，电阻r2的另一端还与电阻r5的一端连接，电阻r5的一端还与电阻r4的一端连接，电阻r5的另一端接地，电阻r4的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r6的一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r6的另一端与电容c1的一端连接，电阻r6的另一端还与电容c2的一端连接，电容c1的另一端接地，电容c2的另一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r9的一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r9的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r8的一端与集成运放a2的同相输入端连接，电阻r8的另一端接地，电阻r7的一端与电容c2的一端连接，电阻r7的另一端与集成运放a2的输出端连接。

优选的是，湿度传感器设置于室内，用于采集室内湿度，湿度传感器将室内湿度转换为电压信号v2，并将电压信号v2传输至第二信号处理电路，经过第二信号处理电路处理后的电压信号为v3，第二信号处理电路包括电阻r10-r20，电容c3-c4以及集成运放a3-a4；

其中，电阻r10的一端与湿度传感器的输出端连接，电阻r10的另一端与集成运放a3的反相输入端连接，电阻r10的另一端与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与电阻r12的一端连接，电阻r11的另一端还与电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端接地，电阻r12的另一端与集成运放a3的输出端连接，电阻r14的一端接地，电阻r14的另一端与集成运放a3的同相输入端连接，电阻r14的另一端还与电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端还与集成运放a3的输出端连接，电阻r14的另一端还与电阻r17的一端连接，电阻r17的一端还与电阻r16的一端连接，电阻r17的另一端接地，电阻r15的一端与集成运放a3的输出端连接，电阻r15的另一端与电阻r18的一端连接，电阻r18的一端还与电容c3的一端连接，电容c3的另一端接地，电阻r18的另一端与集成运放a4的反相输入端连接，电阻r18的另一端还与电容c4的一端连接，电容c4的另一端与集成运放a4的输出端连接，电阻r15的另一端、电阻r18的一端以及电容c3的一端均与电阻r19连接，电阻r19的另一端与集成运放a4的输出端连接，电阻r20的一端与集成运放a4的同相输入端连接，电阻r20的另一端接地。

优选的是，图像处理装置包括图像去噪模块、图像平滑模块以及图像增强模块；

其中，图像采集装置的输出端与图像去噪模块的输入端连接，图像去噪模块的输出端与图像平滑模块的输入端连接，图像平滑模块的输出端与图像增强模块的输入端连接，图像增强模块的输出端与中央处理器的输入端连接。

优选的是，zigbee模块包括数据加密单元、数据传输单元以及数据解密单元；

其中，用户手机与zigbee模块双向通讯，中央处理器与zigbee模块双向通讯，在用户手机传输数据至中央处理器时，用户手机将数据传输至数据加密单元，数据加密单元将数据传输至数据传输单元，数据传输单元将加密后的数据传输至数据解密单元，数据解密单元对加密后的数据进行解密后传输至中央处理器，在中央处理器传输数据至用户手机时，中央处理器将数据传输至数据加密单元，数据加密单元将数据传输至数据传输单元，数据传输单元将加密后的数据传输至数据解密单元，数据解密单元对加密后的数据进行解密后传输至用户手机。

优选的是，温度传感器为非接触型温度传感器，其将接收到的红外能量产生的温度变化用热电偶检测出来，并以热电动势的形式输出。

优选的是，湿度传感器为电阻值变化型相对湿度传感器，其在感湿部分使用高分子材料，感湿部分外部设置有多孔性薄膜。

优选的是，甲醛传感器为甲醛气体分子筛选传感器，图像采集装置为ccd图像传感器。

优选的是，存储装置包括一数据读取接口，数据读取接口为usb接口。

优选的是，基于物联网的家庭环境监测装置的监测方法包括如下步骤：

步骤s1:关闭室内门窗，并将温度传感器、湿度传感器以及甲醛传感器设置于室内，将图像采集装置设置于入户门上部；

步骤s2:将温度传感器与第一信号处理电路通过导线连接，湿度传感器与第二信号处理电路通过导线连接，图像采集装置与图像处理装置通过无线通讯装置连接，第一信号处理电路与第二信号处理电路均接入中央处理器的a/d端口；

步骤s3:将图像采集装置传输至图像处理装置的图像定义为二维函数f(x,y)，其中x、y是空间坐标，图像去噪模块对图像f(x,y)进行图像去噪处理，图像经过去噪处理后的图像二维函数为p(x,y)，其中，

，

图像平滑模块对上述图像p(x,y)进行平滑处理，经过图像平滑处理后图像二维函数为h(x,y)，其中平滑函数为g(x,y)，

，

，﹡为卷积符号，为自定义可调常数，平滑的作用是通过来控制的，

图像增强模块对上述图像h(x,y)进行图像增强处理，经过图像增强处理后图像二维函数为u(x,y)，其中，

，

图像处理装置将图像u(x,y)传输至中央处理器；

步骤s4:第一信号处理电路将温度信号传输至中央处理器，第二信号处理电路将湿度信号传输至中央处理器，甲醛传感器将检测到的室内甲醛浓度传输至中央处理器；

步骤s5:中央处理器将接收到的温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度传输至显示装置进行显示，中央处理器将接收到的温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度传输至存储装置进行存储，中央处理器将接收到的温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度通过zigbee模块传输至用户手机。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明提供的基于物联网的家庭环境监测装置及方法，利用中央处理器、温度传感器、第一信号处理电路、湿度传感器、第二信号处理电路、图像采集装置、图像处理装置、甲醛传感器、zigbee模块、用户手机、显示装置以及存储装置，对温度传感器和湿度传感器测得的温湿度参数进行信号处理，提高了环境监测的精度，能使人们对自身居住环境进行有效了解，还可通过图像采集装置采集户门外的图像信息，并将上述温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度传输至用户手机，使用户及时获知室内环境情况；

（2）本发明提供的基于物联网的家庭环境监测装置及方法，其中的图像处理装置对采集的图像分别进行图像去噪、图像平滑、图像增强处理，可高效、快速的提取图像采集装置的图像信息，可提高对入户人员的面部和环境的图像信息的辨识精度，有效地减少误判情况发生。

附图说明

图1为本发明的一种基于物联网的家庭环境监测装置的示意图；

图2为本发明的第一信号处理电路的电路图；

图3为本发明的第二信号处理电路的电路图；

图4为本发明的图像处理装置的示意图；

图5为在用户手机传输数据至中央处理器时zigbee模块的示意图；

图6为在中央处理器传输数据至用户手机时zigbee模块的示意图。

附图标记：

1-中央处理器；2-温度传感器；3-第一信号处理电路；4-湿度传感器；5-第二信号处理电路；6-图像采集装置；7-图像处理装置；8-甲醛传感器；9-zigbee模块；10-用户手机；11-显示装置；12-存储装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的基于物联网的家庭环境监测装置及方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于物联网的家庭环境监测装置，基于物联网的家庭环境监测装置包括中央处理器1、温度传感器2、第一信号处理电路3、湿度传感器4、第二信号处理电路5、图像采集装置6、图像处理装置7、甲醛传感器8、zigbee模块9、用户手机10、显示装置11以及存储装置12；

其中温度传感器2、湿度传感器4以及甲醛传感器8设置于室内，图像采集装置6设置于入户门上方，温度传感器2的输出端与第一信号处理电路3的输入端连接，湿度传感器4的输出端与第二信号处理电路5的输入端连接，图像采集装置6的输出端与图像处理装置7的输入端连接，第一信号处理电路3的输出端、第二信号处理电路5的输出端、图像处理装置7的输出端以及甲醛传感器8的输出端均与中央处理器1的输入端连接，显示装置11的输入端和存储装置12的输入端均与中央处理器1的输出端连接，中央处理器1与zigbee模块9双向通讯连接，zigbee模块9与用户手机10双向通讯连接。

上述实施方式中，利用中中央处理器1、温度传感器2、第一信号处理电路3、湿度传感器4、第二信号处理电路5、图像采集装置6、图像处理装置7、甲醛传感器8、zigbee模块9、用户手机10、显示装置11以及存储装置12，对温度传感器2和湿度传感器4测得的温湿度参数进行信号处理，提高了环境监测的精度，能使人们对自身居住环境进行有效了解，还可通过图像采集装置6采集户门外的图像信息，并将上述温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度传输至用户手机10，使用户及时获知室内环境情况。

作为上述的进一步优先，如图2所示，温度传感器2设置于室内，用于采集室内温度，温度传感器2将室内的温度转换为电压信号v0，并将电压信号v0传输至第一信号处理电路3，经过第一信号处理电路3处理后的电压信号为v1，第一信号处理电路3包括电阻r1-r9，电容c1-c2以及集成运放a1-a2；

其中，电阻r1的一端与温度传感器2的输出端连接，电阻r1的另一端与集成运放a1的反相输入端连接，电阻r1的另一端还与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r2的一端接地，电阻r2的另一端与集成运放a1的同相输入端连接，电阻r2的另一端还与电阻r5的一端连接，电阻r5的一端还与电阻r4的一端连接，电阻r5的另一端接地，电阻r4的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r6的一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r6的另一端与电容c1的一端连接，电阻r6的另一端还与电容c2的一端连接，电容c1的另一端接地，电容c2的另一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r9的一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r9的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r8的一端与集成运放a2的同相输入端连接，电阻r8的另一端接地，电阻r7的一端与电容c2的一端连接，电阻r7的另一端与集成运放a2的输出端连接。

上述实施方式中，电阻r1的阻值为1kω，电阻r2的阻值为10kω，电阻r3的阻值为15kω，电阻r4的阻值为4kω，电阻r5的阻值为6kω，电阻r6的阻值为10kω，电阻r7的阻值为15kω，电阻r8的阻值为5kω，电阻r9的阻值为10kω，电容c1的电容值为1μf，电容c2的电容值为0.1μf。

由于温度传感器2采集的信号为微弱的电压信号，因而第一信号处理电路3通过电阻r1-r5以及集成运放a1对温度传感器2输出的电压v0进行放大处理，然后再使用电阻r6-r9，电容c1-c2以及集成运放a2对经过放大后的电压信号进行滤波处理，从而提高了温度检测的精度。

作为上述的进一步优先，如图3所示，湿度传感器4设置于室内，用于采集室内湿度，湿度传感器4将室内湿度转换为电压信号v2，并将电压信号v2传输至第二信号处理电路5，经过第二信号处理电路5处理后的电压信号为v3，第二信号处理电路5包括电阻r10-r20，电容c3-c4以及集成运放a3-a4；

其中，电阻r10的一端与湿度传感器4的输出端连接，电阻r10的另一端与集成运放a3的反相输入端连接，电阻r10的另一端与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与电阻r12的一端连接，电阻r11的另一端还与电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端接地，电阻r12的另一端与集成运放a3的输出端连接，电阻r14的一端接地，电阻r14的另一端与集成运放a3的同相输入端连接，电阻r14的另一端还与电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端还与集成运放a3的输出端连接，电阻r14的另一端还与电阻r17的一端连接，电阻r17的一端还与电阻r16的一端连接，电阻r17的另一端接地，电阻r15的一端与集成运放a3的输出端连接，电阻r15的另一端与电阻r18的一端连接，电阻r18的一端还与电容c3的一端连接，电容c3的另一端接地，电阻r18的另一端与集成运放a4的反相输入端连接，电阻r18的另一端还与电容c4的一端连接，电容c4的另一端与集成运放a4的输出端连接，电阻r15的另一端、电阻r18的一端以及电容c3的一端均与电阻r19连接，电阻r19的另一端与集成运放a4的输出端连接，电阻r20的一端与集成运放a4的同相输入端连接，电阻r20的另一端接地。

上述实施方式中，电阻r10的阻值为2kω，电阻r11的阻值为12kω，电阻r12的阻值为12kω，电阻r13的阻值为15kω，电阻r14的阻值为4kω，电阻r15的阻值为16kω，电阻r16的阻值为10kω，电阻r17的阻值为15kω，电阻r18的阻值为15kω，电阻r19的阻值为12kω，电阻r20的阻值为17kω，电容c3的电容值为1μf，电容c4的电容值为0.1μf。

由于湿度传感器4采集的信号为微弱的电压信号，因而第二信号处理电路5通过电阻r10-r17以及集成运放a3对湿度传感器4输出的电压v2进行放大处理，然后再使用电阻r18-r20，电容c3-c4以及集成运放a4对经过放大后的电压信号进行低通滤波处理，从而提高了湿度检测的精度。

作为上述的进一步优先，如图4所示，图像处理装置7包括图像去噪模块、图像平滑模块以及图像增强模块；

其中，图像采集装置6的输出端与图像去噪模块的输入端连接，图像去噪模块的输出端与图像平滑模块的输入端连接，图像平滑模块的输出端与图像增强模块的输入端连接，图像增强模块的输出端与中央处理器1的输入端连接。

上述实施方式中，图像处理装置7对采集的图像分别进行图像去噪、图像平滑、图像增强处理，可高效、快速的提取图像采集装置6的图像信息，可提高对入户人员的面部和环境的图像信息的辨识精度，有效地减少误判情况发生。

作为上述的进一步优先，如图5-6所示，zigbee模块9包括数据加密单元、数据传输单元以及数据解密单元；

其中，用户手机与zigbee模块9双向通讯，中央处理器1与zigbee模块9双向通讯，在用户手机10传输数据至中央处理器1时，用户手机10将数据传输至数据加密单元，数据加密单元将数据传输至数据传输单元，数据传输单元将加密后的数据传输至数据解密单元，数据解密单元对加密后的数据进行解密后传输至中央处理器1，在中央处理器1传输数据至用户手机10时，中央处理器1将数据传输至数据加密单元，数据加密单元将数据传输至数据传输单元，数据传输单元将加密后的数据传输至数据解密单元，数据解密单元对加密后的数据进行解密后传输至用户手机10。

具体地，温度传感器2为非接触型温度传感器，其将接收到的红外能量产生的温度变化用热电偶检测出来，并以热电动势的形式输出。

具体地，湿度传感器4为电阻值变化型相对湿度传感器，其在感湿部分使用高分子材料，感湿部分外部设置有多孔性薄膜。

具体地，甲醛传感器8为甲醛气体分子筛选传感器，图像采集装置6为ccd图像传感器。

具体地，存储装置12包括一数据读取接口，数据读取接口为usb接口，用户能够通过存储装置12读取室内历史环境参数。

具体地，基于物联网的家庭环境监测装置的监测方法包括如下步骤：

步骤s1:关闭室内门窗，并将温度传感器2、湿度传感器4以及甲醛传感器8设置于室内，将图像采集装置6设置于入户门上部；

步骤s2:将温度传感器2与第一信号处理电路3通过导线连接，湿度传感器4与第二信号处理电路5通过导线连接，图像采集装置6与图像处理装置7通过无线通讯装置连接，第一信号处理电路3与第二信号处理电路5均接入中央处理器1的a/d端口；

步骤s3:将图像采集装置6传输至图像处理装置7的图像定义为二维函数f(x,y)，其中x、y是空间坐标，图像去噪模块对图像f(x,y)进行图像去噪处理，图像经过去噪处理后的图像二维函数为p(x,y)，其中，

，

图像平滑模块对上述图像p(x,y)进行平滑处理，经过图像平滑处理后图像二维函数为h(x,y)，其中平滑函数为g(x,y)，

，

，﹡为卷积符号，为自定义可调常数，平滑的作用是通过来控制的，

图像增强模块对上述图像h(x,y)进行图像增强处理，经过图像增强处理后图像二维函数为u(x,y)，其中，

，

图像处理装置7将图像u(x,y)传输至中央处理器1；

步骤s4:第一信号处理电路3将温度信号传输至中央处理器1，第二信号处理电路5将湿度信号传输至中央处理器1，甲醛传感器8将检测到的室内甲醛浓度传输至中央处理器1；

步骤s5:中央处理器1将接收到的温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度传输至显示装置11进行显示，中央处理器1将接收到的温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度传输至存储装置11进行存储，中央处理器1将接收到的温度信号、湿度信号、图像信息以及甲醛浓度通过zigbee模块9传输至用户手机10。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。