基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林秀麗

（廣州華夏職業(yè)學(xué)院 廣東省廣州市 510935）

隨著5G 時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開發(fā)與運(yùn)用進(jìn)入了新臺(tái)階，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)普遍運(yùn)用到人類的日常生活、工作中、學(xué)習(xí)中，高端技術(shù)的突飛猛進(jìn)，智能家居適應(yīng)時(shí)代需求，特別是近幾年，發(fā)展迅猛，加之互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的助力，全方位推廣，家居環(huán)境有了改天換地的變化，讓生活更快捷、更智能、更方便。智能家居的發(fā)展與變革，是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，運(yùn)用有線與無線網(wǎng)通信技術(shù)，目的讓家居環(huán)境成為一個(gè)統(tǒng)一的智能體系，使用方便，那設(shè)計(jì)時(shí)就要考察居住實(shí)情況，在協(xié)調(diào)統(tǒng)一的原則下，設(shè)計(jì)綜合布線、家電控制、安防、音視頻系統(tǒng)等，這樣就完全可以達(dá)到將整個(gè)居住環(huán)境置入智能管理，在這高效的時(shí)代，無疑是為日常生活減少了精力與時(shí)間的開銷，同時(shí)提供了安全、高效、節(jié)能、便捷[1]。

1 智能家居基本模塊簡(jiǎn)述

1.1 中央控制管理系統(tǒng)

智能家居的大腦是智能家居中央控制管理系統(tǒng)，可謂其重要性，家居所有設(shè)備的所有功能，以及各功能間的連接都必須有中央控制管理系統(tǒng)操控，同是協(xié)調(diào)各模塊功能配合運(yùn)轉(zhuǎn)，目的是使整套家具不僅達(dá)到智能效果，最重要的是效果更完美。

運(yùn)行在PC 端或手機(jī)端的嵌入式中央控制管理系統(tǒng)軟件，用戶要全方位管理整個(gè)智能家居，可以通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

例如：查詢或是調(diào)節(jié)室內(nèi)家居當(dāng)前狀況可以通過智能中央控制管理系統(tǒng)的交互功能進(jìn)行，還可以通過該交互系統(tǒng)，預(yù)設(shè)自己習(xí)慣或是喜歡的家居運(yùn)行情交。如對(duì)室內(nèi)空調(diào)預(yù)設(shè)，達(dá)到特定時(shí)間特定溫度自動(dòng)開啟，對(duì)花園草木達(dá)到預(yù)設(shè)參數(shù)會(huì)自己灌溉等。

1.2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

Zigbee 技術(shù)的主要有以下特點(diǎn)：

（1）低功耗：在低功耗待機(jī)狀態(tài)下，兩節(jié)5 號(hào)干電池可以使用6 至24 個(gè)月；

（2）低速率：ZigBee 以20 至250kbit/s 的較低速率工作，滿足低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?/p>

（3）延遲短：ZigBee 的響應(yīng)速度快，從睡眠狀態(tài)切換到工作狀態(tài)通常僅需要15ms，節(jié)點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)僅需要30ms，從而進(jìn)一步節(jié)省了能源；

（4）近距離：有效覆蓋范圍為10-100m，基本可以覆蓋普通的家庭或辦公環(huán)境；

（5）容量大：ZigBee 可以采用星狀，片狀和網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多可以形成65,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)；

（6）低成本：ZigBee 的簡(jiǎn)單而緊湊的協(xié)議大大降低了其對(duì)通信控制的要求，并且ZigBee 免收協(xié)議專利費(fèi)；

（7）高安全性：ZigBee 使用AES-128 加密算法提供數(shù)據(jù)完整性檢查和身份驗(yàn)證功能；

圖1

（8）免許可證頻段：直接序列擴(kuò)頻用于工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)（ISM）頻段，2.4GHz（全球），915MHz（美國(guó)），868MHz（歐洲）。

家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，向用戶發(fā)送設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，接收中央控制系統(tǒng)發(fā)出的指令[2]。ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)、將智能家居、中央控制系統(tǒng)，通過家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連成一個(gè)有機(jī)的整體 ，實(shí)現(xiàn)家居全方位統(tǒng)一管理。

1.3 安全防控系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)，民眾一直以來都是迫切需求居家安全，安全防控，5G 時(shí)代的來到，利用Wi-Fi，5G 網(wǎng)，基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建家居安全防控系統(tǒng)，集系統(tǒng)家居內(nèi)外環(huán)境的濕度、溫度，氣溫、空氣質(zhì)量檢測(cè)，集報(bào)警、門禁，監(jiān)控、自動(dòng)控制功能于一體，還家居場(chǎng)所安全[4]。

1.4 采集音頻視頻系統(tǒng)

科技讓生活便捷，一部智能手機(jī)就可操控家里一切，如：時(shí)刻都可監(jiān)控家中安全，給小偷警告，給親朋好友開門，在路上就可開空調(diào)等，智能家居有著無限潛能挖掘。

智能家居領(lǐng)域必須要廣泛使用音視頻技術(shù)，最簡(jiǎn)單的應(yīng)用--視頻監(jiān)控，使用音視頻技術(shù)是不可避免的，其中視頻采集、視頻編碼、視頻解碼、視頻傳輸、音頻采集、音頻編碼、音頻解碼、音頻傳輸用的最多。

智能家居控制系統(tǒng)，使用多種技術(shù)—人工智能技術(shù)、建模技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等完成家居設(shè)備智能效果。智能家居的控制中用到的人臉識(shí)別技、圖像識(shí)別技術(shù)、聲音識(shí)別技術(shù)，這些技術(shù)都?xì)w結(jié)為音頻視頻采集系統(tǒng)的強(qiáng)大功能。人臉識(shí)別，是通過攝像采集人臉的圖像或視頻，在大數(shù)據(jù)中可以跟蹤、檢測(cè)到采集的人臉，人臉識(shí)別最主要的四個(gè)流程：人臉捕捉、生成特征值、與人臉特征值庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，大于閥值則比對(duì)成功。采集人臉的基本流程如圖1。

2 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是雙向無線通訊技術(shù)，特性是低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低速率、近距離，特別適合傳輸速率不高、距離較短的智能家居各設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以及有低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)、周期性數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

ZigBee 是類似于CDMA 和GSM 網(wǎng)絡(luò)的一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)； ZigBee 是一個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，只要在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊之間，都可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離，可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m 無限擴(kuò)展；ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，必須具有簡(jiǎn)單、方便、可靠、價(jià)格低的特點(diǎn)；每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身可以作為監(jiān)控對(duì)象，除此之外，每一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD），還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)（RFD），無線連接[5]。

在實(shí)際運(yùn)用的過程中，最主要的，是注意在 868MHz、2.4GHz 及 915MHz 三個(gè)不同頻段，所對(duì)應(yīng)的20kbit/s、40kbit/s 及 20kbit/s 三個(gè)傳輸效率[1]。

2.2 智能家居系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

對(duì)智能家居進(jìn)行控制的是基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的N 個(gè)傳感器，這些傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)用ZigBee 無線技術(shù)自組成網(wǎng)絡(luò)，主要任務(wù)是對(duì)室內(nèi)環(huán)境的相應(yīng)感知對(duì)象信息進(jìn)行檢測(cè)探索感知，然后采集處理。家居網(wǎng)關(guān)的作用就是用來接收傳感器輸送過來的采集信息，具有智能功能客戶端PC 機(jī)或手機(jī)的作用是通過互聯(lián)網(wǎng)或GPS 接收傳達(dá)過來的信息，用戶所看到的信息是智能家居系統(tǒng)控制管理界面所呈現(xiàn)的結(jié)果。

通常由智能家居網(wǎng)關(guān)、無線傳感器、智能終端三部分構(gòu)成智能家居傳感系統(tǒng)。

2.3 智能家居系統(tǒng)在ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的設(shè)計(jì)

2.3.1 需求分析

要讓用戶的現(xiàn)代居住條件便捷，最關(guān)鍵因素就是智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。智能家居設(shè)計(jì)一般從四個(gè)環(huán)節(jié)展開，居住環(huán)境安全問題、居住日常能源節(jié)約問題、多個(gè)傳感器布置問題以及居住內(nèi)外環(huán)境問題。

（1）家居環(huán)境。監(jiān)測(cè)家居環(huán)境，這樣可以讓用戶能夠詳細(xì)獲取居住環(huán)境所處位置的各種與其相關(guān)的信息。

（2）傳感設(shè)備。每個(gè)傳感設(shè)備都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)程控制是傳感器的使命，用戶體驗(yàn)的所智能控制都是傳感設(shè)備的功勞。

（3）家居安全。家居處環(huán)境有時(shí)可能會(huì)影響家居安全的信息，當(dāng)危險(xiǎn)與危害情況出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息，將損失、風(fēng)險(xiǎn)降到最低，為安全做好保障。

（4）家居節(jié)能。用戶可以監(jiān)測(cè)并獲取家居設(shè)備耗電信息，為家居節(jié)能提供建議與措施。

2.3.2 分析功能模塊

（1）傳感網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)絡(luò)是智能家居系統(tǒng)的筋絡(luò)，感知功能與接收指令功能是其兩大主要任務(wù)，各設(shè)備節(jié)點(diǎn)所有相關(guān)信息只有傳感器感知，用戶指令傳感器接收后控制家居設(shè)備。

（2）服務(wù)器。服務(wù)器是信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，感知的家居環(huán)境參數(shù)信息都保存在服務(wù)器，用戶通過客戶端實(shí)時(shí)查看一些信息以及家居環(huán)境的歷史信息。

（3）客戶端。裝有智能家居應(yīng)用程序軟件或是APP 的PC 機(jī)或是手機(jī)，瀏覽家庭智能設(shè)備及家居環(huán)境情況。（4）網(wǎng)關(guān)。它是連接服務(wù)器與用戶端的核心節(jié)點(diǎn)，發(fā)送感知信息給用戶，接收用戶指令給服務(wù)器。

2.3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)備控制器是智能家居系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)核心部分，基于 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)組建與設(shè)備的管理控制，最主要的是有效的對(duì)設(shè)備控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)

（2）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)能耗能不能夠節(jié)約，路由協(xié)議設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，但是，開關(guān)控制與其它功能都要注重完善。

（3）為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)面的組網(wǎng)，選用ZigBee 無線模塊CC2420 芯片，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到 250kbps，完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

（4）通信設(shè)計(jì)，是由TXFIFO 寄存器和 RXFIFO 寄存器，用來訪問發(fā)送和接收FIFO 緩存區(qū)數(shù)據(jù)，無線通信的程序重要功能就是數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

（5）微處理器模塊的設(shè)計(jì)。智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的芯片，終為無線收發(fā)芯片，數(shù)據(jù)以及控制信號(hào)的傳輸載體是通過spa 總線微處理器完成。

2.4 終端軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采集節(jié)點(diǎn)的終端軟件，采集家庭環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，接收由監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中心發(fā)送過來的控制指令，并處理這些指令達(dá)到智能目的。操控信息要準(zhǔn)確的發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)，在設(shè)備操作功能與ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信功能間，建立命令，傳輸鏈接，即在網(wǎng)絡(luò)通信功能與應(yīng)用程序間，建立的接口。

3 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的，智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分析

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的初衷，是完成監(jiān)控系統(tǒng)，整體功能的實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)試中，將設(shè)計(jì)的軟、硬件結(jié)合，驗(yàn)證系統(tǒng)的整體性能，通過PC 客戶端和手機(jī)端對(duì)分布于室內(nèi)的監(jiān)控終端與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程中，完成 對(duì)室內(nèi)空調(diào)、臺(tái)燈、窗簾、門禁、花園等一系列監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一一測(cè)試，驗(yàn)證智能家居監(jiān)控系統(tǒng)功能在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)情況。

4 結(jié)論

通過基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析與驗(yàn)證，完全可以獲得可靠的本地通信。