尹曉峰

(河南高速公路發(fā)展有限責任公司三門峽分公司,河南三門峽 472000)

基于無線傳感器網絡的智能家居系統(tǒng)的設計

尹曉峰

(河南高速公路發(fā)展有限責任公司三門峽分公司,河南三門峽 472000)

由于無線傳感器技術具有便捷、靈活、迅速等特點,其應用范圍越來越廣泛。智能家居控制系統(tǒng)使人們可以對家居內的任意電器進行數字化控制,利用計算機技術、網絡通訊技術將與家居生活有關的各種設備有機地結合在一起,進行集中管理,讓家居生活更舒適。

無線傳感器網絡 智能家居系統(tǒng) 設計

1 前言

無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，每一個微型節(jié)點通過短距離無線通信方式與其他節(jié)點進行通信，最終形成的一個多跳自組織網絡。無線傳感器網絡最初應用于軍用偵察、環(huán)境探測等方面，但是目前隨著嵌入式技術的進步，目前無線傳感器網絡可使用的范圍也越來越廣泛。

智能家居系統(tǒng)可以劃分為外網、網關和內網3個部分。外網可以是小區(qū)局域網、有線電視網、電話網和Internet等，大多采用比較成熟的技術。內網則是用于互連家庭內部各種家電、設備的局域網，由于所連接的設備千差萬別，其組網形式也表現(xiàn)出很大的多樣性。家庭內網根據其功能大體上分為3類：用于實現(xiàn)控制功能的控制網絡，用于交換數據信息的數據網絡和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網絡。家庭網關是連接家庭內網和外網的網絡連接設備，將內網接入外網，為外網提供對家庭內部聯(lián)網設備的控制功能;同時家庭網關允許家庭內部可以采用不同的聯(lián)網技術，利用網關為不同的通信子網提供橋接的能力，使各子網內的聯(lián)網設備之間可以相互通信。

隨著無線傳感器技術的發(fā)展，人們將更多的注意力放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性上，從而出現(xiàn)了智能家居的概念。智能家居控制系統(tǒng)使人們可以對家居內的任意電器進行數字化控制，利用計算機技術、網絡通訊技術將與家居生活有關的各種設備有機地結合在一起，進行集中管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。

智能家居系統(tǒng)重點考慮的是家庭內部通信網絡，主要包括智能家居網關和家庭智能傳感器節(jié)點2個部分。智能家居網關是家庭資源管理和配置中心，完成家庭組網和節(jié)點控制等功能。智能家居的網關通過組網技術連接家庭網絡中各傳感器開關節(jié)點，通過標準的通信協(xié)議對內實現(xiàn)智能家居內部網絡的管理和控制，對外作為家庭網絡和外部網絡的信息的交互接口。智能家居能實現(xiàn)的各種功能，如：家庭監(jiān)控、內外信息交互、能源管理、家庭安防、場景設置等都離不開智能家居網關的支持，許多功能都是基于智能家居網關而實現(xiàn)的。該技術也廣泛應用到了軍事、太空探索、智能家居、農業(yè)、醫(yī)療等領域。在伴隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的重要手段——傳感器技術得到飛速發(fā)展，其應用領域越來越廣，人們對其要求越來越高，需求也越來越迫切。但傳感器技術的廣泛應用以及飛速發(fā)展并不代表著該技術已經成熟，相反在很多方面它還是一項新興的技術，依然存在著很多問題等待我們去解決。如何能夠讓我們的傳感器裝置很快的適應周圍的環(huán)境，迅速準確的處理傳輸客戶所需求的信號，并可以根據客戶的要求作出相應的反應以及如何可以盡量的延長傳感器裝置的生存時間等等。這些問題都是我們在研究傳感器技術的過程中所應該解決的問題。

2 無線傳感器網絡

(1)無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks WSNs)是由眾多傳感器節(jié)點構成的無線網絡。其目的是感知、采集和轉發(fā)網絡覆蓋的感知對象的各種信息，并發(fā)送給觀測者。傳感器節(jié)點、感知對象和觀測者是無線傳感器網絡的3個組成部分：無線網絡是傳感器之間、傳感器節(jié)點與觀測者之間的通信基礎，用于在傳感器與觀測者之間建立通信路徑;感知、采集、處理、發(fā)送感知信息是傳感器網絡的基本功能。傳感器網絡中的部分或全部節(jié)點可以移動。傳感器網絡的分布形狀也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。傳感器節(jié)點由電源、傳感器元器件、處理器CPU、存儲器、通信部件和軟件幾部分構成。

(2)網絡體系結構。網絡體系結構由傳感器節(jié)點，數據收集器和管理單元組成。傳感器節(jié)點負責數據的采集和節(jié)點間信息的傳送;數據收集器負責通過中繼方式傳送數據和指令;管理節(jié)點是對所采集的數據進行處理并發(fā)布新的任務。

(3)智能家居網關是整個系統(tǒng)的核心，主要負責與系統(tǒng)中的各模塊協(xié)同工作。通過單片機及模塊中的各接口實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的調度。該模塊既可響應來自外部的電話及互聯(lián)網絡的控制請求指令，通過對指令的解釋，傳輸相應的狀態(tài)信息或控制調度各模塊動作，也可響應家居內部的安防報警請求，并通過電話模塊向用戶發(fā)送報警信息。硬件部分包括CPU基本系統(tǒng)、以太網接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系統(tǒng)包括電源、復位、Flash、內存等電路。

(4)系統(tǒng)上電后，對各模塊進行初始化操作，其主要功能包括水、電、氣3表的數據采集和存儲、報警信息的獲取、設防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數據的無線發(fā)送。主控模塊處于待機狀態(tài)，以中斷方式隨時響應來自網絡通信模塊、電話語音模塊及安防報警3方面的請求，其中的網絡通信模塊工作在服務模式下，偵聽來自互聯(lián)網的遠程控制請求。對于電話的連接請求，在核實用戶身份后，通過語音提示模塊引導用戶完成電話的按鍵指令操作，控制相關模塊動作，并以語音提示信息的方式向電話用戶回送相關信息;對于安防報警方面的請求，主控模塊則以用戶事先設定的電話號碼拔通用戶電話并以語音提示的方式向用戶發(fā)出報警。數據的無線發(fā)送和接收要遵守家庭網關通信協(xié)議。

(5)網絡協(xié)議。物理層處于最底層，是整個開放系統(tǒng)的基礎，提供信號調制和信號的無線接收和發(fā)送技術;數據鏈路層要為終端設備間的數據通信提供傳輸媒介及其連接。主要責任是讓數據成幀，幀檢測，媒體訪問和差錯控制;網絡層主要完成路由的生成和選擇;為兩個端系統(tǒng)的會話層之間，提供建立、維護和取消傳輸連接的功能，控制數據流的傳輸，保證通信服務質量;應用層是開放系統(tǒng)的最高層，直接為應用程序提供服務的，包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件;能量管理平臺主要管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能源;移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置;任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務。

3 家用電器和網絡節(jié)點

在智能家居中我們實現(xiàn)的是對家用電器的智能化，就是通過嵌入電器中的控制節(jié)點來實現(xiàn)這些功能，但是家用電器根據其功能和作用可以分為智能家電和非智能家電。智能家電就像空調，它可以在溫度達到其設定的溫度是轉換為睡眠狀態(tài)。非智能家電就像電視，我們不僅僅實現(xiàn)開關機，還要加入一些復雜的指令來實現(xiàn)選臺等一些別的功能。因此我們把節(jié)點分為簡單的控制節(jié)點和復雜的控制節(jié)點兩類。簡單的控制節(jié)點就是實現(xiàn)開關功能，復雜的控制節(jié)點不僅要實現(xiàn)開關功能，還要實現(xiàn)電器的一些復雜功能。區(qū)別了簡單的控制節(jié)點和復雜的控制節(jié)點，可以減少成本和提高網絡的效率。

(1)網絡結構。無線傳感器提供兩種網絡結構：星型網絡結構和點對點網絡結構。在家庭網絡中，我們是通過網絡協(xié)調器來實現(xiàn)家用電器的控制，所以我們主體上是選用星型網絡結構，但是在一些家電中，由于它們之間的特殊關系，像電視機和錄像機，因為如果人在戶外又想回到家里就可以看到錯過的比賽或新聞，這時就需要用錄像機把比賽或新聞的情況錄下來，這個時候電視機和錄像機之間就有一種必然的聯(lián)系，因此我們就在一些這樣的家電中采用點對點的網絡控制，這個節(jié)點開啟了，不再發(fā)別的指令去開啟錄像機，通過電視的節(jié)點就可以控制錄像機中的節(jié)點。

(2)網絡組成。完整的智能家居系統(tǒng)包括：網關是實現(xiàn)家庭網絡和外網的連接口，這樣我們可以通過INTERNET來對家庭網絡中的網絡協(xié)調器進行指令傳輸。GPRS系統(tǒng)，有了該系統(tǒng)我們可以通過移動通信網絡用手機實時的對家庭網絡進行監(jiān)控。網絡協(xié)調器，實現(xiàn)對嵌入在家用電器中的控制節(jié)點進行指令控制，從而實現(xiàn)對家用電器的遠程無線控制，同時它還需要多種通訊協(xié)議轉換功能。

4 分析與測試

基于無線傳感器網絡的智能家居系統(tǒng)的測試分為三個部分。第一，硬件可靠性測試。由于各個從節(jié)點的工作環(huán)境不同，因此主要針對各個從節(jié)點的硬件進行全面測試。主要包括ESD、高低溫、陽光直曬、跌落等各項測試。第二，軟件可靠性測試。測試方法主要是進行各模塊功能測試。測試方法為等價值劃分法、邊界值測量法和場景法。測試步驟主要是使用等價值劃分法來劃分測試模塊邊界，然后使用邊界值測量法來對邊界進行檢驗，最后使用場景法模擬用戶使用來測試實際功能。測試結果顯示各模塊工作良好，對用戶操作的響應及時，界面友好。第三，無線網絡的抗干擾測試。本系統(tǒng)的設計基于無線傳感器網絡的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)目標是家用系統(tǒng)，主要測試方法是在系統(tǒng)正常工作后， 同時運行一些常見的2.4G無線設備進行同時工作， 觀察本系統(tǒng)的工作狀況。主要測試設備是WIFI 和藍牙系統(tǒng)。結果表明在同時使用WIFI和藍牙的環(huán)境下，系統(tǒng)工作良好，并沒有受到任何干擾，顯示出良好的無線抗干擾性能。

5 結語

以上分析與測試表明，基于無線傳感器網絡的智能家居系統(tǒng)使用方便，界面友好，擴展性與可靠性較強，對于想要提高生活質量，提升家居管理方式的應用場合，具有很高的使用價值。

[1]王漫,何寧,裴俊,等.面向無線傳感器網絡應用的嵌入式操作系統(tǒng)綜述[J]．計算機應用與軟件,2007(6)：79-84.

[2]何寧,王漫,方昀,等.面向無線傳感器網絡應用的傳感器技術綜述[J].計算機應用與軟件,2007(9)：87-92.

[3]王淑華,陳國定,趙國炳．一種無線傳感器網絡能耗模型及有效性分析[J].計算機應用與軟件,2011(2)：112-116.

[4]于海斌,曾鵬.智能無線傳感器網絡系統(tǒng).北京：科學出版社,2006.

[5]丁鎮(zhèn)生著.傳感器及其遙控遙測技術應用.北京：電子工業(yè)出版社,2002.

[6]劉敢峰,吳明光.家庭自動化幾種主流網絡協(xié)議.電子技術應用,2003.2.

尹曉峰(1981—),男,河南伊川縣人,河南高速公路發(fā)展有限責任公司三門峽分公司科員。