基于LTE網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

薛飛

（江蘇省揚(yáng)州技師學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225003）

[摘 要] 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)商用，而依賴于LTE制式的高傳輸帶寬，借助短距離通信協(xié)議形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），可以設(shè)計(jì)與制作一個(gè)安全可靠的實(shí)時(shí)智能家居控制系統(tǒng)。重點(diǎn)研究控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、基本組成、硬件模塊的設(shè)計(jì)方法等，并對(duì)該系統(tǒng)的工程應(yīng)用進(jìn)行論證與分析。

[關(guān) 鍵 詞] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LTE；WSN

[中圖分類號(hào)] TS63 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）03-0186-01

2016年5月至6月，筆者在前往德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)培訓(xùn)期間，參觀了德國的KBA與大眾集團(tuán)兩家公司的智能化生產(chǎn)車間與FMS實(shí)驗(yàn)室。通過參觀與調(diào)研，我們了解到：目前，歐洲主流的制造業(yè)企業(yè)正在大力推廣將WSN與工業(yè)控制技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)流水線的智能化、集成化與柔性化。受上述啟發(fā)，參照現(xiàn)有智能家居控制系統(tǒng)所存在的問題，本課題以一種新型智能家居控制系統(tǒng)的解決方案為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，設(shè)計(jì)并分析如何將ZigBee、WSN與LTE三網(wǎng)絡(luò)相融合以實(shí)現(xiàn)無線通信和智能控制。

一、總體方案設(shè)計(jì)與分析

（一）CPU型號(hào)的選擇

采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為該控制系統(tǒng)的CPU。單片機(jī)作為該系統(tǒng)的控制核心，在實(shí)現(xiàn)控制功能的基礎(chǔ)上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展容易、成本較低等優(yōu)勢(shì)，便于實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合的控制解決方案。

（二）室分通信系統(tǒng)的選擇

綜合考慮移動(dòng)性、有效性及延展性，采用ZigBee作為室內(nèi)分布通信系統(tǒng)的傳輸制式，即以ZigBee作為構(gòu)成WSN的基礎(chǔ)。雖然超寬帶、藍(lán)牙及WIFI的數(shù)據(jù)傳輸速率都比ZigBee高，但是ZigBee制式在傳輸距離與能量消耗等諸多參數(shù)方面均占據(jù)著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。以ZigBee制式構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被業(yè)界公認(rèn)為是合理和適用的。目前，傳感器技術(shù)的研究得到了快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也非常廣泛。但是，只有將傳感器技術(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起，構(gòu)成適用的WSN系統(tǒng)，才能最大限度地發(fā)揮通信技術(shù)與傳感器技術(shù)強(qiáng)大的功能。

（三）廣域通信制式的選擇

目前，我國三大運(yùn)營商均已經(jīng)開始大規(guī)模地推廣與商用4G-LTE制式，LTE（Long Term Evolution）是第四代通信協(xié)議制式中的一種，較目前主流的3G通信制式而言，LTE制式引入了OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）和MIMO（多輸入、多輸出技術(shù)）等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)上下行的吞吐量，并且其支持多種帶寬分配且能與無線通信制式頻段良好融合。以上這些特點(diǎn)均為實(shí)現(xiàn)廣域通信制式與WSN網(wǎng)絡(luò)的融合提供了技術(shù)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)已經(jīng)有較為成熟的基于ZigBee的實(shí)現(xiàn)WSN與GSM的融合設(shè)計(jì)方案與產(chǎn)品解決方案。但隨著4G-LTE的商用，LTE相比GSM制式，在頻譜效率與數(shù)據(jù)傳輸速率方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，LTE協(xié)議網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)取消CS域，加寬PS域帶寬，所以在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減小系統(tǒng)時(shí)延的基礎(chǔ)上，可以大大提升整體網(wǎng)絡(luò)的帶寬，更好地進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，并且LTE系統(tǒng)能夠更好地支持與其他通信制式的互操作。

二、硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與分析

（一）設(shè)計(jì)方案

本文提出并設(shè)計(jì)一種新型的基于4G-LTE網(wǎng)絡(luò)制式的實(shí)時(shí)監(jiān)控智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)、通過無線傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及4G通信模塊的實(shí)時(shí)通信，傳感器網(wǎng)絡(luò)有效采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控信號(hào)并及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，LTE通信模塊執(zhí)行發(fā)送語音信息給設(shè)定服務(wù)中心或用戶終端，從而建立遠(yuǎn)程通信鏈路，依托于4G網(wǎng)絡(luò)制式高帶寬的支持，該鏈路可以實(shí)時(shí)提供現(xiàn)場(chǎng)視頻或圖像信號(hào)的傳遞，更好、更優(yōu)地實(shí)現(xiàn)智能家居的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。本文設(shè)計(jì)的新型智能家居控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、交互性優(yōu)、通用性和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（二）系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)模塊由CPU、TFT觸摸屏、LTE模塊、CC1000模塊和報(bào)警電路組成，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，起到協(xié)調(diào)其他模塊、處理和分析數(shù)據(jù)等功能。為了延長(zhǎng)傳輸距離、提高傳輸?shù)目煽啃?，在本系統(tǒng)中加入中繼節(jié)點(diǎn)，以此提高這個(gè)系統(tǒng)的可靠性。中繼節(jié)點(diǎn)由MSP430F149和CC1000組成。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，加了中繼節(jié)點(diǎn)之后，傳輸距離增加了15 m，系統(tǒng)誤碼率降低了50%。作為本套系統(tǒng)的核心模塊，MSP430F149被廣泛使用。為此，單獨(dú)設(shè)計(jì)MSP430最小系統(tǒng)，使這個(gè)系統(tǒng)具有很好的可移植性和擴(kuò)展性。

三、結(jié)束語

本文提出并設(shè)計(jì)一種新型的基于4G-LTE網(wǎng)絡(luò)制式，與基于ZigBee的WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合的新型智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、交互性優(yōu)、通用性和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本課題研究的后續(xù)延伸是探索將WSN與工業(yè)控制技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)流水線的智能化、集成化與柔性化。

參考文獻(xiàn)：

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