基于無(wú)線傳感的智能家居綜述

趙華軍+陳亮存+陸源

（欽州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 535000）

摘要：針對(duì)以往的嵌入式智能家居在實(shí)際應(yīng)用中的缺點(diǎn)和不便，提出了一種便捷靈活的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，本系統(tǒng)和以往的智能家居比起來(lái)具有成本低、耗能少等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)本系統(tǒng)的最終目的是用戶可以通過(guò)手機(jī)、PC等終端對(duì)家中的電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：智能家居；遠(yuǎn)程遙控；無(wú)線傳感網(wǎng)

引言

信息時(shí)代，智能產(chǎn)品在慢慢的融入我們的生活中，在我們的生活中也起到的越來(lái)越重要的作用。越來(lái)越多的場(chǎng)合、設(shè)施也慢慢的有往智能化的方向發(fā)展。自物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）概念提出以來(lái)，就掀起了以智能家居為代表的物聯(lián)網(wǎng)浪潮。智能家居顧名思義是以家庭為平臺(tái)，充分利用布線技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信技術(shù)和自動(dòng)控制將家中的設(shè)施或者電器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)物物相聯(lián)的智能家居系統(tǒng)。本文主要是對(duì)無(wú)線傳感器和無(wú)線通信技術(shù)在智能家居的應(yīng)用方面的概述。

一、智能家居發(fā)展前景

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的重要體現(xiàn)之一，現(xiàn)在越來(lái)越多的智能產(chǎn)品融入了我們的生活中，帶給了我們不少的方便，同時(shí)也隨著物質(zhì)財(cái)富的不斷發(fā)展，人們對(duì)家居生活也提出了智能化、舒適化和方便化等要求。這種智能化的家居是在現(xiàn)代美學(xué)和人們對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的生活的不斷提高下慢慢發(fā)展起來(lái)的，而且現(xiàn)在家居的智能化已經(jīng)成為了現(xiàn)代生活討論的一個(gè)熱門話題，是現(xiàn)代生活的一種標(biāo)志?，F(xiàn)在由于物質(zhì)財(cái)富的不斷發(fā)展以及設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)的成本相對(duì)較低，再加上現(xiàn)在家中的電器也越來(lái)越智能?，F(xiàn)在智能家居的發(fā)展前景也正在慢慢的變大中。

二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)形式[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)組成

傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的重要組成，負(fù)責(zé)將電器的狀態(tài)或者周圍環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行收集的重要設(shè)備。因?yàn)樗占男畔⒉灰恢?，傳感器?jié)點(diǎn)的功能結(jié)構(gòu)也不完全一樣，但是基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)是一致的，比如電源模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。處理器一般是使用嵌入式的CPU。比如由RFM公司有距離短、功耗低的TR1000的無(wú)線通信模塊組成的數(shù)據(jù)傳輸單元。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由獲取數(shù)據(jù)模塊、進(jìn)程模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源四個(gè)模塊部分組成[2]。四個(gè)模塊的關(guān)系如圖1所示：

2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的建議，物聯(lián)網(wǎng)自下向上一般可以分為五個(gè)層次：感知控制層、接入層、互聯(lián)網(wǎng)層、服務(wù)管理層和應(yīng)用層[3]。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的重要分支之一，其系統(tǒng)架構(gòu)也應(yīng)具備物聯(lián)網(wǎng)的五層協(xié)議。

2.2.1感知控制層：

感知是感知周圍的環(huán)境和電器的參數(shù)值。控制主要是控制電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)或者是通過(guò)調(diào)節(jié)電器的數(shù)值來(lái)對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。主要的感知設(shè)備主要有：溫度傳感器、煙霧傳感器、濕度傳感器、有毒氣體傳感器、人體紅外傳感器、雨滴傳感器等感知設(shè)備。控制設(shè)備主要有智能插座、智能開(kāi)關(guān)等。除此之外，感知控制層還應(yīng)該包括一些本身自帶有通信接口的電器，例如智能空調(diào)、智能洗衣機(jī)和帶有網(wǎng)絡(luò)接口的攝像機(jī)等。

2.2.2接入層：

接入層主要的設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，由于在感知控制層的設(shè)備涉及到的無(wú)線通信技術(shù)不一致，所以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)包含多種無(wú)線通信的通信接口。網(wǎng)關(guān)主要是負(fù)責(zé)將感知控制層的設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，一方面將感知層控制層的終端設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理后發(fā)送到服務(wù)器，另一方面是將服務(wù)器更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理后發(fā)送到相應(yīng)的控制終端上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。

2.2.3互聯(lián)網(wǎng)層：

互聯(lián)網(wǎng)層的主要功能是將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接到小區(qū)里面的局域網(wǎng)繼而接入互聯(lián)網(wǎng)或者跳過(guò)小區(qū)的局域網(wǎng)直接接入運(yùn)營(yíng)商的通用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備前者可以是接入家里的交換機(jī)或者小區(qū)的交換機(jī)以及是家里的路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；后者可以是接入ADSL調(diào)制解調(diào)器、Cable Modem、無(wú)線路由器或者光纖路由器等。

2.2.4服務(wù)管理層：

服務(wù)管理層主要包括應(yīng)用的服務(wù)器、WEB服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。應(yīng)用的服務(wù)器主要是負(fù)責(zé)與每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)定時(shí)通信，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)來(lái)獲取感知控制層的設(shè)備數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。Web服務(wù)器主要是負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，提供給用戶通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程查看設(shè)備的狀態(tài)，同時(shí)用戶也可以通過(guò)Web服務(wù)器來(lái)對(duì)家中的節(jié)點(diǎn)終端進(jìn)行控制從而控制電器。

2.2.5應(yīng)用層：

應(yīng)用層主要含有電腦、手機(jī)和智能終端設(shè)備等。用戶可以通過(guò)智能手機(jī)上的APP或者是瀏覽器來(lái)對(duì)家中的設(shè)備進(jìn)行控制或者查看家中電器的狀態(tài)、家中環(huán)境的狀況等。由于不同的手機(jī)有不同的操作系統(tǒng)，因此應(yīng)該根據(jù)相應(yīng)的平臺(tái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的APP。Web服務(wù)器采用了動(dòng)態(tài)的網(wǎng)頁(yè)生成技術(shù)，真正的后臺(tái)在Web服務(wù)器上，所以用戶不需要?jiǎng)澐植僮飨到y(tǒng)平臺(tái)，用戶只需登錄相應(yīng)的網(wǎng)址后可便可對(duì)家中的設(shè)備進(jìn)行控制。

三、常用的無(wú)線通信技術(shù)

3.1 ZigBee：

ZigBee無(wú)線通信技術(shù)正在慢慢的被大家所認(rèn)可。 ZigBee使用最多的有2.4G、915M和868M三種頻率段，這三種頻率的傳遞速度分別是：250Kbits、40Kpbs、20Kpbs，有效的傳輸范圍從十米到一百米不等。用戶可以根據(jù)不同的環(huán)境情況選擇相應(yīng)的頻率。ZigBee與其它通信技術(shù)相比較，有廉價(jià)性、傳輸速率低、高效率性、安全性高、數(shù)據(jù)傳輸量大和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

3.2藍(lán)牙：

藍(lán)牙一般的通信范圍是半徑十米內(nèi)，就算是最大2.45赫茲ISM波段的藍(lán)牙也就是半徑三十米的范圍半徑，傳遞的速率為2Mbps。藍(lán)牙的主要有使用方便、通信過(guò)程穩(wěn)定和全程不占用有線網(wǎng)絡(luò)的資源的優(yōu)點(diǎn)。

3.3紅外線技術(shù)：

紅外技術(shù)不需要接收器接收，操作的時(shí)候?qū)⑦b控器對(duì)著設(shè)備的方向操作即可，是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是使用方便、功率低和成本低以及保密性等優(yōu)點(diǎn)高。缺點(diǎn)是傳輸距離短且中間不能有實(shí)物遮擋，傳送的速率不能控制。

3.4 Wifi：

WiFi（Wireless Fidelity，無(wú)線保真技術(shù)）是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PAD、手機(jī)）等終端以無(wú)線方式互相連接的技術(shù)，是距IEEE802.11的別稱[4]。WiFi在開(kāi)闊區(qū)域的通信半徑有300米左右，在封閉的場(chǎng)所通信半徑也有100米左右。WiFi是一種短程的無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠在它傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)給用戶提供接入互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線電信號(hào)提供互聯(lián)網(wǎng)的訪問(wèn)。WiFi的傳輸速度快，耗能高，可以用來(lái)傳輸大數(shù)據(jù)。

四、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的5層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和上面介紹的四種無(wú)線通信技術(shù)，無(wú)線傳感網(wǎng)在智能家居中的物理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[5]。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接受到服務(wù)器的指令后，將指令轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)控制終端節(jié)點(diǎn)的繼電器來(lái)控制電氣設(shè)備的狀態(tài)。本系統(tǒng)主要是采用網(wǎng)蜂公司的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，圖3為該開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用的繼電器的電路圖。

4.1藍(lán)牙平臺(tái)

通過(guò)藍(lán)牙模塊、手機(jī)或電腦作為主機(jī)，連接另一藍(lán)牙模塊（從機(jī)），藍(lán)牙模塊（主機(jī)）通過(guò)按鍵S1控制發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)。模塊（從機(jī)）接收到信息后執(zhí)行控制繼電器指令，從而控制臺(tái)燈。整個(gè)過(guò)程 在協(xié)議棧（BLE--CC254x—132）中進(jìn)行。

4.2 ZigBee平臺(tái)

本設(shè)計(jì)的傳感器都是基于ZigBee平臺(tái)的，傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感器收集的數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議棧將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器可將數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來(lái)或者將數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)如圖4所示[6]。下面是本設(shè)計(jì)常用的傳感器。

4.2.1溫度傳感器DS18B20

DS18B20數(shù)字傳感器封裝后可以應(yīng)用于多種場(chǎng)合，具有接線方便、耐磨耐碰、體積小封裝形式多樣，可用于各類狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。硬件電路圖如下。

4.2.2煙霧傳感器

煙霧傳感器是通過(guò)檢測(cè)煙霧的濃度狀況來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范，原理是給IO口一個(gè)高低電平來(lái)反映外界情況。電路原理圖如下。

4.3 WiFi平臺(tái)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的是瀚特公司的智能插座，控制過(guò)程主要是通過(guò)手機(jī)APP來(lái)控制智能插座中的繼電器的狀態(tài)從而來(lái)控制插座的的通電狀態(tài)。智能插座通過(guò)家中的無(wú)線WiFi接入網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以在APP上遠(yuǎn)程控制插座的狀態(tài)，還可以查看電器的耗電情況。

五、總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要是概述無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能家居中的應(yīng)用，介紹了智能家居的五層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系的功能，前景以及現(xiàn)在比較流行的幾種常用的無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以ZigBee平臺(tái)為主，藍(lán)牙平臺(tái)和WiFi平臺(tái)為輔。傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)大多都是在ZigBee平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較簡(jiǎn)單，功能還不是很完善。

參考文獻(xiàn)

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