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

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計

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

由于無線傳感器技術(shù)具有便捷、靈活、迅速等特點,其應(yīng)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(nèi)的任意電器進(jìn)行數(shù)字化控制,利用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起,進(jìn)行集中管理,讓家居生活更舒適。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 智能家居系統(tǒng) 設(shè)計

1 前言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)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(jìn)行通信,最終形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初應(yīng)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(shù)的進(jìn)步,目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)、網(wǎng)關(guān)和內(nèi)網(wǎng)3個部分。外網(wǎng)可以是小區(qū)局域網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、電話網(wǎng)和Internet等,大多采用比較成熟的技術(shù)。內(nèi)網(wǎng)則是用于互連家庭內(nèi)部各種家電、設(shè)備的局域網(wǎng),由于所連接的設(shè)備千差萬別,其組網(wǎng)形式也表現(xiàn)出很大的多樣性。家庭內(nèi)網(wǎng)根據(jù)其功能大體上分為3類:用于實現(xiàn)控制功能的控制網(wǎng)絡(luò),用于交換數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)關(guān)是連接家庭內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備,將內(nèi)網(wǎng)接入外網(wǎng),為外網(wǎng)提供對家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的控制功能;同時家庭網(wǎng)關(guān)允許家庭內(nèi)部可以采用不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù),利用網(wǎng)關(guān)為不同的通信子網(wǎng)提供橋接的能力,使各子網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間可以相互通信。

隨著無線傳感器技術(shù)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(nèi)的任意電器進(jìn)行數(shù)字化控制,利用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起,進(jìn)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(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò),主要包括智能家居網(wǎng)關(guān)和家庭智能傳感器節(jié)點2個部分。智能家居網(wǎng)關(guān)是家庭資源管理和配置中心,完成家庭組網(wǎng)和節(jié)點控制等功能。智能家居的網(wǎng)關(guān)通過組網(wǎng)技術(shù)連接家庭網(wǎng)絡(luò)中各傳感器開關(guān)節(jié)點,通過標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議對內(nèi)實現(xiàn)智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的管理和控制,對外作為家庭網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)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(nèi)外信息交互、能源管理、家庭安防、場景設(shè)置等都離不開智能家居網(wǎng)關(guān)的支持,許多功能都是基于智能家居網(wǎng)關(guān)而實現(xiàn)的。該技術(shù)也廣泛應(yīng)用到了軍事、太空探索、智能家居、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)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(shù)得到飛速發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)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(shù)的廣泛應(yīng)用以及飛速發(fā)展并不代表著該技術(shù)已經(jīng)成熟,相反在很多方面它還是一項新興的技術(shù),依然存在著很多問題等待我們?nèi)ソ鉀Q。如何能夠讓我們的傳感器裝置很快的適應(yīng)周圍的環(huán)境,迅速準(zhǔn)確的處理傳輸客戶所需求的信號,并可以根據(jù)客戶的要求作出相應(yīng)的反應(yīng)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(shù)的過程中所應(yīng)該解決的問題。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks WSNs)是由眾多傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。其目的是感知、采集和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的3個組成部分:無線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器節(jié)點與觀測者之間的通信基礎(chǔ),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(wǎng)絡(luò)的基本功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點可以移動。傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成。

(2)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點,數(shù)據(jù)收集器和管理單元組成。傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和節(jié)點間信息的傳送;數(shù)據(jù)收集器負(fù)責(zé)通過中繼方式傳送數(shù)據(jù)和指令;管理節(jié)點是對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)布新的任務(wù)。

(3)智能家居網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的核心,主要負(fù)責(zé)與系統(tǒng)中的各模塊協(xié)同工作。通過單片機(jī)及模塊中的各接口實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的調(diào)度。該模塊既可響應(yīng)來自外部的電話及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的控制請求指令,通過對指令的解釋,傳輸相應(yīng)的狀態(tài)信息或控制調(diào)度各模塊動作,也可響應(yīng)家居內(nèi)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(wǎng)接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系統(tǒng)包括電源、復(fù)位、Flash、內(nèi)存等電路。

(4)系統(tǒng)上電后,對各模塊進(jìn)行初始化操作,其主要功能包括水、電、氣3表的數(shù)據(jù)采集和存儲、報警信息的獲取、設(shè)防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。主控模塊處于待機(jī)狀態(tài),以中斷方式隨時響應(yīng)來自網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信模塊工作在服務(wù)模式下,偵聽來自互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)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(dǎo)用戶完成電話的按鍵指令操作,控制相關(guān)模塊動作,并以語音提示信息的方式向電話用戶回送相關(guān)信息;對于安防報警方面的請求,主控模塊則以用戶事先設(shè)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(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收要遵守家庭網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議。

(5)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。物理層處于最底層,是整個開放系統(tǒng)的基礎(chǔ),提供信號調(diào)制和信號的無線接收和發(fā)送技術(shù);數(shù)據(jù)鏈路層要為終端設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒介及其連接。主要責(zé)任是讓數(shù)據(jù)成幀,幀檢測,媒體訪問和差錯控制;網(wǎng)絡(luò)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(hù)和取消傳輸連接的功能,控制數(shù)據(jù)流的傳輸,保證通信服務(wù)質(zhì)量;應(yīng)用層是開放系統(tǒng)的最高層,直接為應(yīng)用程序提供服務(wù)的,包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)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(hù)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(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。

3 家用電器和網(wǎng)絡(luò)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(jù)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(diào),它可以在溫度達(dá)到其設(shè)定的溫度是轉(zhuǎn)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(guān)機(jī),還要加入一些復(fù)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(fù)雜的控制節(jié)點兩類。簡單的控制節(jié)點就是實現(xiàn)開關(guān)功能,復(fù)雜的控制節(jié)點不僅要實現(xiàn)開關(guān)功能,還要實現(xiàn)電器的一些復(fù)雜功能。區(qū)別了簡單的控制節(jié)點和復(fù)雜的控制節(jié)點,可以減少成本和提高網(wǎng)絡(luò)的效率。

(1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器提供兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和點對點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在家庭網(wǎng)絡(luò)中,我們是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),但是在一些家電中,由于它們之間的特殊關(guān)系,像電視機(jī)和錄像機(jī),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(jī)把比賽或新聞的情況錄下來,這個時候電視機(jī)和錄像機(jī)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(wǎng)絡(luò)控制,這個節(jié)點開啟了,不再發(fā)別的指令去開啟錄像機(jī),通過電視的節(jié)點就可以控制錄像機(jī)中的節(jié)點。

(2)網(wǎng)絡(luò)組成。完整的智能家居系統(tǒng)包括:網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)和外網(wǎng)的連接口,這樣我們可以通過INTERNET來對家庭網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)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(wǎng)絡(luò)用手機(jī)實時的對家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,實現(xiàn)對嵌入在家用電器中的控制節(jié)點進(jìn)行指令控制,從而實現(xiàn)對家用電器的遠(yuǎn)程無線控制,同時它還需要多種通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

4 分析與測試

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jié)果顯示各模塊工作良好,對用戶操作的響應(yīng)及時,界面友好。第三,無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾測試。本系統(tǒng)的設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)目標(biāo)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(yùn)行一些常見的2．4G無線設(shè)備進(jìn)行同時工作,觀察本系統(tǒng)的工作狀況。主要測試設(shè)備是WIFI和藍(lán)牙系統(tǒng)。結(jié)果表明在同時使用WIFI和藍(lán)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(jié)語

以上分析與測試表明,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)使用方便,界面友好,擴(kuò)展性與可靠性較強(qiáng),對于想要提高生活質(zhì)量,提升家居管理方式的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)綜述[J]．計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2007(6):79-84.

[2]何寧,王漫,方昀,等.面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的傳感器技術(shù)綜述[J].計算機(jī)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)能耗模型及有效性分析[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2011(2):112-116.

[4]于海斌,曾鵬.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).北京:科學(xué)出版社,2006.

[5]丁鎮(zhèn)生著.傳感器及其遙控遙測技術(shù)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議.電子技術(shù)應(yīng)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(zé)任公司三門峽分公司科員。