吳房勝，徐金秀，施冬冬，陳業(yè)慧

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)居家生活舒適便捷的要求越來(lái)越高.在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能家居能夠滿足人類的要求，通過(guò)科技創(chuàng)新，使人類生活得更加節(jié)能環(huán)保、安全方便.隨著人們需求的增加，智能家居必將會(huì)成為中國(guó)的主流行業(yè)之一，市場(chǎng)發(fā)展前景非常廣闊［1］.

1 系統(tǒng)概述及退避算法原理

本系統(tǒng)通過(guò)模擬真實(shí)的家居環(huán)境，搭建一個(gè)智能平臺(tái).平臺(tái)上使用了火焰?zhèn)鞲衅?、溫濕度傳感器、熱釋電紅外傳感器、紅外對(duì)射傳感器、光照傳感器及煙霧傳感器等，通過(guò)各種傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)采集，利用CC2530主控芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、無(wú)線傳輸及智能控制等.此外，還安裝了攝像頭、風(fēng)扇、電燈和報(bào)警燈等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)象模擬，當(dāng)感測(cè)到火焰、煙霧氣體、外來(lái)人員入侵等突發(fā)情況時(shí)，ZigBee 芯片通過(guò)繼電器模塊，控制報(bào)警器、風(fēng)扇、攝像頭等器件，攝像頭進(jìn)行視頻拍攝，并將視頻上傳到云平臺(tái)存儲(chǔ)；家庭PC 端可通過(guò)電信網(wǎng)關(guān)，通知房屋主人家里有人入侵或者發(fā)生火災(zāi)，并通知房主撥打火警電話，使得家庭在安全防衛(wèi)方面更加智能便捷.同時(shí)移動(dòng)端的安卓APP 和家庭PC 終端均可獲取家庭的各種信息，并進(jìn)行家庭突發(fā)情況的監(jiān)控和相應(yīng)的管理，其中安卓APP 軟件還可通過(guò)攝像頭對(duì)門(mén)口人員外貌進(jìn)行識(shí)別并可遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)，避免了戶主不在家時(shí)，家中來(lái)客人卻只能在門(mén)口等待的尷尬.該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示［2-3］.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)用到多個(gè)數(shù)據(jù)采集的傳感器，如溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器等，采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳送數(shù)據(jù)而發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞的現(xiàn)象，這需要限制各節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的訪問(wèn)頻率，故需要采用退避機(jī)制，來(lái)降低碰撞的發(fā)生.本系統(tǒng)采用二進(jìn)制指數(shù)退避（BEB）算法中的時(shí)隙CSMA/CA（信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)）算法，并對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，該算法主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的訪問(wèn)，是一種免沖突載波檢測(cè)的多路接入算法.算法中有NB、CW和BE三個(gè)變量需要進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù).NB為節(jié)點(diǎn)剛接入信道時(shí)，即數(shù)據(jù)幀開(kāi)始進(jìn)行傳輸之前，執(zhí)行時(shí)隙CSMA/CA算法所需退避的次數(shù).CW為競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小，是數(shù)據(jù)幀傳輸之前，連續(xù)檢測(cè)到的空閑信道的次數(shù).BE是節(jié)點(diǎn)的退避指數(shù)，其值和CW關(guān)聯(lián)［4］.

該算法是先初始化在MAC 層的NB和CW的值，并判斷電池電量是否用盡，再初始化不同的BE值.然后等待下一個(gè)退避邊緣到來(lái)，再進(jìn)行隨機(jī)退避，隨機(jī)延遲一個(gè)隨機(jī)數(shù)時(shí)隙的退避周期，該隨機(jī)數(shù)在［0，2BE-1］之間產(chǎn)生.如果超幀CAP階段剩余的時(shí)隙小于退避的時(shí)隙值，則停止當(dāng)前退避計(jì)時(shí)，下一個(gè)超幀CAP開(kāi)始時(shí)再重新執(zhí)行之前的退避計(jì)時(shí).隨機(jī)退避結(jié)束后，進(jìn)行CCA信道檢測(cè).如果CCA 信道不為空，CW、NB和BE三者重新賦值，CW=2，NB=NB+1，BE=min（BE+1，amaxBE）.然后檢測(cè)NB值是否大于最大退避次數(shù)值，如果大于，則數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，訪問(wèn)失敗，否則就再次隨機(jī)延遲，重新進(jìn)行退避檢測(cè).如果CCA信道為空，執(zhí)行CW=CW-1，再判斷CW是否等于0，若是，表明數(shù)據(jù)訪問(wèn)信道成功，可以發(fā)送數(shù)據(jù)；若否，則返回到CCA 信道檢測(cè)任務(wù)，重新檢測(cè).

該退避算法解決數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題是通過(guò)設(shè)置退避指數(shù)，改變競(jìng)爭(zhēng)窗口值實(shí)現(xiàn)，當(dāng)退避指數(shù)達(dá)到極限值，再增加退避次數(shù)重新傳輸.該算法有兩個(gè)方面的不足，首先是BE值的設(shè)定問(wèn)題，BE在初始化時(shí)的值為macminBE，未進(jìn)入信道時(shí)該值隨機(jī)退避在0～2minBE間的一個(gè)周期，如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少，則第一次隨機(jī)延時(shí)的BE值會(huì)選擇過(guò)大；如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多，BE值需要多次進(jìn)行加1，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)功耗增大.其次，本系統(tǒng)是基于智能家居系統(tǒng)的場(chǎng)景，該系統(tǒng)中的煙霧、火焰等報(bào)警信息比較重要，在信道中需要優(yōu)先傳送.但上述算法對(duì)數(shù)據(jù)的傳送都是平等的，溫濕度、光照等非重要的信息可能會(huì)先競(jìng)爭(zhēng)到信道中，進(jìn)行傳送，而更重要的信息可能無(wú)法優(yōu)先傳送［3］.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)CSMA/CA 退避算法從三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn).第一，改變NB的大小.由于很多節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)信道時(shí)，發(fā)生碰撞概率增大，故降低NB的極限值能夠降低重傳的概率.如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，NB極限值設(shè)小一點(diǎn)，反之，NB極限值設(shè)大一點(diǎn).第二，改變BE的大小.BE值的大小由各數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)來(lái)決定.一旦發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，開(kāi)始隨機(jī)延遲，隨機(jī)數(shù)不從0～2BE中間選取，而在2BE+1～2amaxBE中間選取該值一個(gè)周期的隨機(jī)時(shí)隙.第三，改變CW的大小.采集數(shù)據(jù)后，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的設(shè)定.不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包，對(duì)應(yīng)不同大小的CW，如將優(yōu)先級(jí)別高的CW值設(shè)為1，優(yōu)先級(jí)別低的CW值設(shè)為2，則優(yōu)先級(jí)別高的數(shù)據(jù)包對(duì)信道檢測(cè)的時(shí)間會(huì)變小，降低了網(wǎng)絡(luò)的功耗［5］.

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集及控制采用CC2530F256芯片，該芯片將射頻收發(fā)功能與51 內(nèi)核集成到同一芯片中，是一個(gè)獨(dú)立的片上系統(tǒng).系統(tǒng)中煙霧傳感器采用MQ-2煙霧傳感器，可檢測(cè)家庭天然氣、酒精、一氧化碳等氣體；熱釋電紅外傳感器采用HC-SR501，該傳感器功耗低，感應(yīng)范圍可達(dá)7 米距離；溫濕度傳感器采用SHT10 集成芯片，該芯片采集精度高，穩(wěn)定性高，功耗低；火焰?zhèn)鞲衅鞑捎肦2868 火焰?zhèn)鞲衅?各類傳感器將采集到數(shù)據(jù)傳送給CC2530F256 主控芯片，芯片將采集到的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并自組網(wǎng)，控制電燈、風(fēng)扇、報(bào)警器電動(dòng)門(mén)鎖等器件，并將數(shù)據(jù)傳送到PC 終端，PC 終端存儲(chǔ)傳感器采集的數(shù)據(jù)及視頻信息，并控制電信網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撥打電話功能.安卓移動(dòng)端可以從云平臺(tái)中獲取當(dāng)前采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等，可隨時(shí)查看當(dāng)前數(shù)據(jù)，并可通過(guò)攝像頭對(duì)門(mén)口人員外貌進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)［6］.

本系統(tǒng)對(duì)智能家居搭建了一個(gè)模擬平臺(tái)，如圖2 所示.所有傳感器和控制器件均安裝在平臺(tái)上，平臺(tái)上方從左到右分別是四個(gè)ZigBee 模塊，其中三個(gè)附帶繼電器模塊，第二個(gè)附帶溫濕度模塊，最右邊是攝像頭；中間一行是風(fēng)扇、燈泡等器件及煙霧傳感器；最下面一行從左到右分別是紅外對(duì)射模塊、兩個(gè)ZigBee 模塊（各自集成光照傳感器、熱釋電紅外傳感器等）、數(shù)字量I/O模塊.

圖2 平臺(tái)搭建實(shí)物圖

3 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)前面所述改進(jìn)的退避算法，其軟件流程圖如圖3 所示.初始化后，為減少重傳次數(shù)，先要判斷網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，若較大，初始化較小的NB極限值，若較小則初始化較大的值，然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低設(shè)置NB與CW的值，高優(yōu)先級(jí)CW=1，低優(yōu)先級(jí)CW=2，再判斷電池電量是否用盡來(lái)設(shè)置不同的BE值，等待下一個(gè)退避邊緣后進(jìn)行隨機(jī)退避.退避結(jié)束后進(jìn)行CCA 信道檢測(cè).若信道忙，CW根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低重新設(shè)為1 或者2，NB重新自加1.只要NB的值未超過(guò)上限值，則在［2BE-l，2min（BE+l，amaxBE）-1］間隨機(jī)延遲一個(gè)周期，從而減少不必要的碰撞，降低網(wǎng)絡(luò)功耗，若超過(guò)，數(shù)據(jù)發(fā)送失敗.若信道空閑，CW自減1，再判斷CW是否為0，若是，數(shù)據(jù)發(fā)送成功，若否，則重新進(jìn)行新一輪退避檢測(cè).

圖3 改進(jìn)的CSMA/CA退避算法流程圖

該系統(tǒng)的軟件分為三個(gè)部分，第一部分是下位機(jī)CC2530F256 單片機(jī)程序的編寫(xiě)，程序編寫(xiě)采用模塊化編程，方便移植，主要完成對(duì)各類傳感器數(shù)據(jù)的采集處理，并將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī).第二部分是安卓軟件APP開(kāi)發(fā)，通過(guò)安卓軟件設(shè)計(jì)顯示監(jiān)控界面及采集的數(shù)據(jù).第三部分是物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)視頻及采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理［7］，該系統(tǒng)整體控制流程圖如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)控制流程圖

4 測(cè)試與分析

該系統(tǒng)模擬平臺(tái)搭建完成后，對(duì)所有傳感器及ZigBee模塊進(jìn)行通電檢測(cè)，確保所有模塊正常工作.傳感器模塊采集多路數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)CSMA/CA退避算法處理，將信號(hào)上傳給終端，終端顯示及控制界面如圖5所示，從圖5中可以看到溫濕度、紅外、火焰、可燃?xì)怏w等數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)能穩(wěn)定并可實(shí)時(shí)顯示，還可實(shí)時(shí)控制開(kāi)關(guān)門(mén)、開(kāi)關(guān)燈、開(kāi)關(guān)排氣扇和窗簾等.

圖5 PC終端測(cè)試界面

在CC2530控制模式下，當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，家中的排風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，減少室內(nèi)煙霧的濃度，可以讓?xiě)糁鞲影踩靥与x，同時(shí)PC 終端通過(guò)電信網(wǎng)關(guān)報(bào)警，如果戶主在外，安卓APP 端也會(huì)通知家中發(fā)生火情，避免家中有人但沒(méi)有覺(jué)察到火情而產(chǎn)生危險(xiǎn)；氣體傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)可燃?xì)怏w含量，當(dāng)氣體濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，排風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)打開(kāi)；當(dāng)有障礙物擋住平臺(tái)上紅外對(duì)射時(shí)，紅外對(duì)射數(shù)據(jù)顯示為1，并且提示有人入侵，入侵界面如圖6所示.

圖6 入侵界面

手機(jī)端的AAP通過(guò)安卓軟件開(kāi)發(fā)，如圖7所示，注冊(cè)賬戶并登陸成功后，進(jìn)入監(jiān)控界面，該界面上有各個(gè)傳感器采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫度濕度，以及家中是否有火災(zāi)發(fā)生，廚房是否有燃?xì)庑孤┑?當(dāng)攝像頭檢測(cè)到門(mén)口有物體移動(dòng)時(shí)，攝像頭可進(jìn)行自動(dòng)拍攝，并將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)移動(dòng)端，如果戶主認(rèn)識(shí)圖像中的人，可以直接通過(guò)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén).

圖7 手機(jī)安卓端監(jiān)控界面

5 總結(jié)

本系統(tǒng)是基于ZigBee設(shè)計(jì)的智能家居，利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，理論上采用改進(jìn)的退避算法降低信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間，減少數(shù)據(jù)重傳，提高數(shù)據(jù)吞吐量及傳輸效率，降低了網(wǎng)絡(luò)功耗.具有采集精度高，處理速度快并可無(wú)線組網(wǎng)傳輸?shù)裙δ?，完成了視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)門(mén)等功能，實(shí)現(xiàn)電腦和手機(jī)雙重監(jiān)控，保障人們的生活質(zhì)量，產(chǎn)業(yè)前景十分廣闊.