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

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(jì)

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(diǎn),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(duì)家居內(nèi)的任意電器進(jìn)行數(shù)字化控制,利用計(jì)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(jì)

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(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)微型節(jié)點(diǎn)通過短距離無線通信方式與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，最終形成的一個(gè)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(gè)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(shí)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(duì)家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的控制功能;同時(shí)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(duì)家居內(nèi)的任意電器進(jìn)行數(shù)字化控制，利用計(jì)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(diǎn)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(diǎn)2個(gè)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(diǎn)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(diǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的管理和控制，對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(xiàng)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(hào)，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(shí)間等等。這些問題都是我們?cè)谘芯總鞲衅骷夹g(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(diǎn)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(duì)象的各種信息，并發(fā)送給觀測者。傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀測者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)組成部分：無線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可以移動(dòng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布形狀也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。傳感器節(jié)點(diǎn)由電源、傳感器元器件、處理器CPU、存儲(chǔ)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(diǎn)，數(shù)據(jù)收集器和管理單元組成。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和節(jié)點(diǎn)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(diǎn)是對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(qǐng)求指令，通過對(duì)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(dòng)作，也可響應(yīng)家居內(nèi)部的安防報(bào)警請(qǐng)求，并通過電話模塊向用戶發(fā)送報(bào)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(duì)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(chǔ)、報(bào)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(shí)響應(yīng)來自網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電話語音模塊及安防報(bào)警3方面的請(qǐng)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(qǐng)求。對(duì)于電話的連接請(qǐng)求，在核實(shí)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(dòng)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(duì)于安防報(bào)警方面的請(qǐng)求，主控模塊則以用戶事先設(shè)定的電話號(hào)碼拔通用戶電話并以語音提示的方式向用戶發(fā)出報(bào)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(gè)開放系統(tǒng)的基礎(chǔ)，提供信號(hào)調(diào)制和信號(hào)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(cuò)控制;網(wǎng)絡(luò)層主要完成路由的生成和選擇;為兩個(gè)端系統(tǒng)的會(huì)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(tái)主要管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能源;移動(dòng)管理平臺(tái)檢測并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置;任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)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(diǎn)

在智能家居中我們實(shí)現(xiàn)的是對(duì)家用電器的智能化，就是通過嵌入電器中的控制節(jié)點(diǎn)來實(shí)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(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)，還要加入一些復(fù)雜的指令來實(shí)現(xiàn)選臺(tái)等一些別的功能。因此我們把節(jié)點(diǎn)分為簡單的控制節(jié)點(diǎn)和復(fù)雜的控制節(jié)點(diǎn)兩類。簡單的控制節(jié)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，復(fù)雜的控制節(jié)點(diǎn)不僅要實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，還要實(shí)現(xiàn)電器的一些復(fù)雜功能。區(qū)別了簡單的控制節(jié)點(diǎn)和復(fù)雜的控制節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)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?yàn)槿绻嗽趹敉庥窒牖氐郊依锞涂梢钥吹藉e(cuò)過的比賽或新聞，這時(shí)就需要用錄像機(jī)把比賽或新聞的情況錄下來，這個(gè)時(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)控制，這個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)就可以控制錄像機(jī)中的節(jié)點(diǎn)。

(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(shí)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(duì)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)用手機(jī)實(shí)時(shí)的對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入在家用電器中的控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指令控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程無線控制，同時(shí)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(gè)部分。第一，硬件可靠性測試。由于各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境不同，因此主要針對(duì)各個(gè)從節(jié)點(diǎn)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(xiàng)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(jià)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(jià)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(duì)邊界進(jìn)行檢驗(yàn)，最后使用場景法模擬用戶使用來測試實(shí)際功能。測試結(jié)果顯示各模塊工作良好，對(duì)用戶操作的響應(yīng)及時(shí)，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(jì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)運(yùn)行一些常見的2.4G無線設(shè)備進(jìn)行同時(shí)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(shí)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(duì)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(jià)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(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)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。