基于TinyOS的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊立華，李永忠，周 俊

（江蘇科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

隨著現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們更加注重對生活品質(zhì)的追求，舒適度、智能化的家居日益成為人們關(guān)注的對象。家用電器的自動化已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代人的需求。智能家居系統(tǒng)[1]是一項多功能綜合技術(shù)，它以家庭住宅為平臺，以先進(jìn)的通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)為依托，將家庭中各種電器設(shè)備通過某種形式的網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合在一起，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理與調(diào)控，為人們提供一種更加舒適、安全、環(huán)保、高效的生活環(huán)境。

人們對智能化家居的需求越來越迫切，本文結(jié)合TinyOS自身特點，提出并實現(xiàn)了一個智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 TinyOS操作系統(tǒng)與nesC語言

TinyOS[2]是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的一種主流操作系統(tǒng)。TinyOS采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)下，一個完整的應(yīng)用程序包含多個組件，它的各種功能都是由組件實現(xiàn)的，即TinyOS提供了一個適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)應(yīng)用的編程框架。

NesC[3]是對C語言的一種擴(kuò)展，其語言的基本數(shù)據(jù)類型、運算符和表達(dá)式、基本語句和程序結(jié)構(gòu)都與C語言相同。它的最大特點是支持組件化的編程模式，將組件化/模塊化的思想和事件驅(qū)動的執(zhí)行模型結(jié)合起來，并采用基于任務(wù)和事件的并發(fā)模型。

2 智能家居總體設(shè)計

根據(jù)智能家居的實際應(yīng)用需求，智能家居系統(tǒng)設(shè)計主要包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[4]和監(jiān)控系統(tǒng)[5]兩大部分。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能包括：主節(jié)點可以讀取從串口讀取的命令，并通過無線通信向分節(jié)點發(fā)送命令；同時可返回從分節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)另外含有3個分節(jié)點，燈光明暗控制節(jié)點，門鎖開關(guān)控制節(jié)點，溫、濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點。燈光明暗控制節(jié)點可以通過無線接收從主節(jié)點發(fā)送的命令，分級調(diào)節(jié)燈光的亮度，逐漸增亮或逐漸變暗。門鎖控制節(jié)點可以通過無線接收從主節(jié)點發(fā)送的命令，打開或者關(guān)閉門鎖。

監(jiān)控系統(tǒng)功能包括：可通過點擊按鈕經(jīng)串口通信向主節(jié)點發(fā)送命令，控制分節(jié)點動作（包括：燈光明暗以及門鎖開、關(guān)），可以顯示從分節(jié)點傳送的溫度、濕度、光照度以及電池容量的數(shù)據(jù)，同時具有可以顯示數(shù)據(jù)的實時曲線功能，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)分為三層，分別為監(jiān)控層、設(shè)備控制與數(shù)據(jù)層、設(shè)備層。監(jiān)控層：系統(tǒng)的主界面，用來顯示當(dāng)前家居設(shè)備的狀態(tài)，溫度、濕度、光照度曲線圖。設(shè)備控制與數(shù)據(jù)層：用來控制家居設(shè)備，并檢測家居設(shè)備反饋的信號狀態(tài)。設(shè)備層：系統(tǒng)的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，設(shè)備主節(jié)點與各模塊從節(jié)點之間通過無線來進(jìn)行通信。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure

3 智能家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

智能家居系統(tǒng)是一種小范圍、多節(jié)點、近距離無線傳輸?shù)捏w系。而具低復(fù)雜度、低成本和低功耗特點的Zigbee[6]與其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比較，更加適用于此系統(tǒng)，因此可通過在TinyOS中nesC語的編寫，實現(xiàn)ZigBee的MAC層協(xié)議[7]，完成基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計。

3.1 燈光控制設(shè)計

燈光明暗控制整合電路板工作原理：電路板可以檢測交流電波形的正負(fù)起始點；以及每隔特定時間收到節(jié)點發(fā)送的信號后，夾在可控硅上電壓的波形?？煽毓栌晒?jié)點5號管腳控制。燈光的強(qiáng)度，實際取決于夾在燈泡兩端的電壓。電壓越高，燈泡越亮；反之，電壓越低，燈泡越暗。此硬件電路是通過可控硅調(diào)節(jié)相位的方式改變光的強(qiáng)度?？煽毓枵{(diào)節(jié)光強(qiáng)度主要原理在于，改變觸發(fā)脈沖的施加時間改變導(dǎo)通角大小，從而改變燈光明暗。依據(jù)此原理，設(shè)計燈關(guān)明暗程序代碼，程序流程圖如圖2所示。

圖2 燈光控制程序流程圖Fig.2 Lighting control program flow chart

3.2 門鎖開關(guān)設(shè)計

門鎖控制整合模塊：電路板帶有兩組繼電器和交、直流電壓轉(zhuǎn)換器。交、直流電壓轉(zhuǎn)換器[8]可以將110~220 V的交流電壓變?yōu)? V或者12 V直流電壓。12 V直流電供給直流電機(jī)工作。如果有5 V的控制信號夾在繼電器上，繼電器常開點閉合，反之常閉點閉合。繼電器由節(jié)點的5號和6號管腳控制。門鎖打開及閉合，主要依據(jù)繼電器通斷電的原理設(shè)計。門鎖內(nèi)部配有直流電動機(jī)，當(dāng)電動機(jī)兩端加正向電壓時，電動機(jī)正轉(zhuǎn)門鎖打開；反之，當(dāng)直流電機(jī)兩端加反向電壓時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)門鎖閉合，程序流程圖如圖3所示。

圖3 門鎖控制程序流程圖Fig.3 Door lock control program flow chart

4 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的各網(wǎng)路節(jié)點需要由一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)控制運行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)通過串口通信將命令發(fā)送至主節(jié)點，再由主節(jié)點將命令經(jīng)無線通信傳遞至分節(jié)點控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)動作；同時，可將傳感器[9]采集的環(huán)境數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并可顯示記錄結(jié)果，方便用戶及時查詢。

通過點擊【更亮】或者【更暗】按鍵命主節(jié)點向燈光控制節(jié)點發(fā)送命令，調(diào)亮或者調(diào)暗燈的照明度。點擊【門鎖】按鍵，可經(jīng)主節(jié)點向門鎖控制節(jié)點發(fā)送命令，打開或者關(guān)閉門鎖，并改變場景狀態(tài)顯示區(qū)域內(nèi)的門鎖狀態(tài)圖片。調(diào)亮燈的流程圖如圖4所示。門鎖控制模塊的流程圖如圖5所示。

圖4 調(diào)亮燈光流程圖Fig.4 Bright light flow chart

圖5 門鎖控制流程圖Fig.5 Door lock control flow chart

5 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)，是在搭載windows XP系統(tǒng)的PC機(jī)端進(jìn)行測試。分別給無線網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點、燈光控制節(jié)點，門鎖控制等節(jié)點上電。圖6為智能家居監(jiān)控系統(tǒng)運行的主界面。下面以溫度和濕度數(shù)據(jù)采集和顯示為例，說明系統(tǒng)功能。進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示界面，采集一分鐘內(nèi)的溫度的變化，并將數(shù)據(jù)以曲線形式顯示，其結(jié)果如圖7所示，橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表溫度，單位攝氏度。

圖6 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的主界面Fig.6 Themain interface of smart home control system

同樣，將采集一分鐘內(nèi)的濕度變化，并將數(shù)據(jù)以曲線形式顯示，如圖8所示。橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表濕度，單位為%百分比。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用Visual C++設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控界面，實現(xiàn)了監(jiān)控界面與無線網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點之間的串口通信，采用NesC語言在TinyOS操作系統(tǒng)環(huán)境下實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的Zigbee無線通信。經(jīng)由主節(jié)點，上位機(jī)能夠控制其它無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動作，諸如燈光逐步增亮或者逐步變暗，門鎖打開或者閉合等等。同時，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以存儲和顯示由無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的溫度、濕度、光照度等數(shù)據(jù)和變化趨勢。該設(shè)計初步滿足了家居系統(tǒng)控制的智能化，同時具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

圖7 溫度曲線顯示Fig.7 Temperature curve shows

圖8 濕度曲線顯示Fig.8 Humidity curve shows

[1]花鐵森.智能家居系統(tǒng)核心技術(shù)探討[J].智能建筑電氣技術(shù)，2009（2）:92-98.HUA Tie-sen.Discussion on the core technology of smart home system[J].Intelligent Building Electrical Technology，2009（2）:92-98.

[2]錢開國，桑楠，馬宏.基于Tinyos的無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)[J].昆明學(xué)院學(xué)報，2008，30（4）:30-33.QIAN Kai-guo，SANG Nan，MA Hong.Design and implement wireless sensor network for monitodng temperature and humidity based on TinyOS[J].Journal of Kunming University，2008，30（4）:30-33.

[3]吳迪，胡鋼，倪剛.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)TinyOS調(diào)度機(jī)制的改進(jìn)研究[J].河海大學(xué)常州分校學(xué)報，2007，21（4）:107-108.WU Di，HU Gang，NIGang.Research and modification of TinyOS in wireless sensor networks[J].Journal of Hohai University， Changzhou Campus，2007，21（4）:107-108.

[4]劉濤，趙計生.基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2008，27（2）：61-62.LIU Tao，ZHAO Ji-sheng.Automatic system based on ZigBee technology for water-saving irrigation of farm land[J].Measurement&Control Technology，2008，27（2）:61-62.

[5]IEEE Computer Society.Standard for part 15.4：wireless medium access control （MAC） and physical layer（PHY）specification for low-rate wireless personal area networks（LRWPANs）[S].IEEE Std802.15.4，2003.

[6]林麗萍.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2008.

[7]BEHROUZA FOROUZAN.密碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全[M].馬振晗，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[8]David A Johns，Ken Martin，著.模擬集成電路設(shè)計[M].曾朝陽，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[9]桂勛，姚蘭，譚永東，等.可擴(kuò)展的監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)研究[J].電力自動化設(shè)備，2008，28（5）:82-86.GUI Xun，YAO Lan，TAN Yong-dong，et al.Implementation technologies of extensible simulation platform for supervisory system[J].Electric Power Automation Equipment，2008，28（5）:82-86.