基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用

王瑤

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

所謂智能家居系統(tǒng)，其實(shí)就是利用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居管理的終端。智能家居系統(tǒng)可以利用各種通信手段獲取控制指令，并借助傳感器網(wǎng)絡(luò)提供的信息完成智能判斷。智能家居系統(tǒng)在家居環(huán)境管理方面具有安全、便捷的優(yōu)勢(shì)。隨著人們生活水平的提高，智能家居系統(tǒng)逐漸滲透到人們的生活中。因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，從而為人們的生活提供更多的便利。

2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能家居系統(tǒng)

近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)迅速發(fā)展并受到廣泛關(guān)注，它的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、微傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)融合，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，引起了世界上許多國(guó)家軍事界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，應(yīng)用前景十分廣闊。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其基本單元是節(jié)點(diǎn)，集成了傳感器、微處理器、無(wú)線(xiàn)接口和電源四個(gè)模塊。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟解決方案對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有借鑒意義[1]。然而，根據(jù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的用途和功能開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的通信協(xié)議和路由算法，已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中一個(gè)迫切的研究課題。智能家居集建筑、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化于一體，構(gòu)建了集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理于一體的高效、舒適、安全、便捷、環(huán)保的生活環(huán)境。

智能家居可以定義為一個(gè)過(guò)程或一個(gè)系統(tǒng)，其利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和綜合布線(xiàn)技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，還提供了舒適、安全、高檔、愉悅的家庭居住空間。家居從原來(lái)被動(dòng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)變成了擁有主動(dòng)智慧的工具，擁有全方位的信息交流功能，可以幫助家庭與外界保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至節(jié)省了各種能源成本。

3總體結(jié)構(gòu)和工作原理

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次及其協(xié)議的集合就是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[2]。在架構(gòu)上，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念清晰、理論完整。在OSI七層協(xié)議架構(gòu)中，TCP/IP是一個(gè)四層架構(gòu)，包括應(yīng)用層、傳輸層、互聯(lián)網(wǎng)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。但是，本質(zhì)上，TCP/IP只有前三層架構(gòu)。結(jié)合它們的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了五層協(xié)議體系。其中，應(yīng)用層負(fù)責(zé)通過(guò)應(yīng)用進(jìn)程之間的交互完成特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;傳輸層負(fù)責(zé)為兩臺(tái)主機(jī)中進(jìn)程之間的通信提供通用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)為分組交換網(wǎng)絡(luò)上的不同主機(jī)提供通信服務(wù);數(shù)據(jù)鏈路層將網(wǎng)絡(luò)層移交的IP數(shù)據(jù)報(bào)組裝成幀進(jìn)行傳輸;物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位為比特。以上五層協(xié)議體系構(gòu)成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，并按照各自的功能和任務(wù)運(yùn)行。

4家庭安防系統(tǒng)安全功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

智能家居安防系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，在執(zhí)行一定的安全功能時(shí)，首先要在控制中心的基礎(chǔ)上建立一定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局工作，然后借助計(jì)算機(jī)、工作站和信息模塊進(jìn)一步完善家庭安全系統(tǒng)的不同功能。具體來(lái)說(shuō)，需要結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)功能設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)，只有這樣才能充分獲取一些相關(guān)的智能家居信息。傳感器節(jié)點(diǎn)的分布位置要全面、有規(guī)劃，一些關(guān)鍵位置不能遺漏。這一步完成后，需要建立一定的門(mén)牌號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)，通過(guò)編寫(xiě)清晰的節(jié)點(diǎn)碼就可以實(shí)現(xiàn)智能家居門(mén)牌號(hào)的一一對(duì)應(yīng)。一般而言，按照統(tǒng)一規(guī)劃的基本原則，此時(shí)需要在特定房間建立合適數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，全方位地模擬實(shí)際情況，可以說(shuō)這是完成整個(gè)系統(tǒng)功能的重中之重。最后一個(gè)環(huán)節(jié)則是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理的目的是幫助系統(tǒng)識(shí)別智能家居安全系統(tǒng)的內(nèi)部語(yǔ)言。

具體來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)處理功能主要包括以下幾個(gè)方面：通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中涉及的傳感器對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行處理，通過(guò)處理可以獲得關(guān)于室內(nèi)溫度、光照強(qiáng)度等方面的信息，同時(shí)可以將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包或調(diào)整，再借助一定的匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送給整個(gè)智能家居安防系統(tǒng)的其他模塊;系統(tǒng)控制中心對(duì)數(shù)據(jù)信息的處理過(guò)程主要基于數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)用;智能家居安防系統(tǒng)還需要處理一定的規(guī)劃數(shù)據(jù)，然后在此前提下優(yōu)化后期參數(shù)，進(jìn)一步發(fā)送控制指令。

5智能家居系統(tǒng)中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5.1基本原則

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，其末端是一個(gè)能夠感知和檢查外界的傳感器。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備的位置可以隨時(shí)更改，也可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。基于低功耗、自組織、高可靠性和低成本的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和電話(huà)網(wǎng)絡(luò)，將室內(nèi)環(huán)境參數(shù)、家用電器運(yùn)行狀態(tài)等信息告知居民，讓居民通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)了解家中情況，從而遠(yuǎn)程監(jiān)控家用電器，實(shí)現(xiàn)家內(nèi)外信息的傳輸。

5.2無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

（1）紅外通信技術(shù)。紅外通信技術(shù)主要利用紅外線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短距離通信，其優(yōu)點(diǎn)是干擾小，且數(shù)據(jù)傳輸速率為1Gbps。紅外通信技術(shù)不需要物理連接，但由于紅外線(xiàn)的直連特性，紅外通信技術(shù)通常存在距離短、傳輸方向強(qiáng)、對(duì)遮蔽物要求高等缺點(diǎn)。僅在智能家居中使用這項(xiàng)技術(shù)并不能滿(mǎn)足信息傳輸?shù)囊螅梢杂脕?lái)控制一些家用電器（如電視、電腦等）。

（2）藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人區(qū)域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換，主要用于便攜式設(shè)備與其外設(shè)之間建立通信。藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)一步將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，為移動(dòng)設(shè)備和固定設(shè)備之間的通信提供了一個(gè)有效的空中接口，可以在短距離內(nèi)相互通信。藍(lán)牙技術(shù)采用短包和快速跳頻技術(shù)，首先可以通過(guò)分散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，從而克服數(shù)據(jù)同步的問(wèn)題。工作頻段為2.4GHzISM頻段，傳輸速率為1Mbps，傳輸距離一般為10～100m。

（3）ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是藍(lán)牙技術(shù)的延伸[3]，在ZigBee技術(shù)加持下，一臺(tái)主設(shè)備可以連接255臺(tái)設(shè)備，組網(wǎng)規(guī)模大，可以支持智能家居中大量設(shè)備的接入。ZigBee技術(shù)的工作頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美洲）。其中，2.4GHz頻段的通信速率為10～250kbit/s，通信距離為10～100m。ZigBee技術(shù)因其低功耗和高可靠性而適用于智能家居。

（4）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（Wi?Fi）技術(shù)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種允許電子設(shè)備連接無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的技術(shù)。連接無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通常需要密碼保護(hù)，但也可以是開(kāi)放的，這樣WLAN范圍內(nèi)的任何設(shè)備都可以進(jìn)行連接。雖然Wi?Fi技術(shù)的通信質(zhì)量較差，但其傳輸速度高達(dá)54Mbps。由于Wi?Fi技術(shù)在通信速度

6基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)看，智能家居系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，由傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)組成。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)使用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，其可以完成家庭環(huán)境中多個(gè)硬件節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，并利用無(wú)線(xiàn)鏈路構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò);傳輸網(wǎng)絡(luò)是由外網(wǎng)和家庭網(wǎng)關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)，其通過(guò)網(wǎng)關(guān)與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并采用無(wú)線(xiàn)連接方式。當(dāng)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接時(shí)，系統(tǒng)將采用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信方式，能夠自動(dòng)完成通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)信息按順序傳輸。借助該網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)還可以查詢(xún)家庭設(shè)備信息或給出操作控制指令。此外，該系統(tǒng)還配備了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)包含許多終端設(shè)備，用戶(hù)可以使用外部網(wǎng)絡(luò)讀取家庭信息并根據(jù)信息控制家庭設(shè)備。

在實(shí)際的系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)中，應(yīng)采用ZigBee技術(shù)作為系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。與其他技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)采用的局域網(wǎng)協(xié)議功耗更低，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離無(wú)線(xiàn)通信，同時(shí)，ZigBee技術(shù)工作在2.4GHz和868/928MHz頻段，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，為ad?hoc網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供支持。

網(wǎng)關(guān)則是系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，其應(yīng)該有各種接口，如ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口、以太網(wǎng)接口、Wi?Fi接口等，以此連接各種網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與家庭內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的通信。此外，利用ZigBee協(xié)議作為傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議，也可以構(gòu)建無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)，使節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯聚。

6.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，首先需要分散部署家庭環(huán)境中的多個(gè)傳感器。這些傳感器可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳感設(shè)備;另一類(lèi)是控制設(shè)備。其中，穿透裝置是簡(jiǎn)單的傳感器，如溫度傳感器和濕度傳感器。被控設(shè)備由傳感器和繼電器組成，可以根據(jù)用戶(hù)指令控制家用設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，還要做好家庭網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，保證家庭信息的順利采集。

在家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方面，可以采用S3C2440作為硬件平臺(tái)。S3C2440是一款采用ARM92OT內(nèi)核的嵌入式微處理器，可應(yīng)用于低功耗、高性?xún)r(jià)比的設(shè)備。通過(guò)串口，網(wǎng)關(guān)核心板可以與家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。當(dāng)連接外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)關(guān)既可以使用Wi?Fi模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，也可以通過(guò)PC電纜連接外部網(wǎng)絡(luò)。

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方面，紫蜂無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該由紫蜂協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和紫蜂終端組成。其中，終端由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和ZigBee模塊組成，可以完成信息數(shù)據(jù)的采集。此外，在定時(shí)器的加持下，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可以在固定時(shí)間收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信單元將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。在傳感器節(jié)點(diǎn)和通信單元之間，有一個(gè)由中央處理器和嵌入式操作系統(tǒng)組成的處理單元，該系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信單元由發(fā)射模塊和接收模塊組成。而從協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的組成來(lái)看，該節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)ZigBee模塊———由無(wú)線(xiàn)通信模塊、串行收發(fā)模塊、微處理器模塊和電源模塊組成，可以接收終端節(jié)點(diǎn)信息和網(wǎng)關(guān)指令。

6.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，可以采用嵌入式Linux作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以此設(shè)計(jì)系統(tǒng)Web服務(wù)器。利用服務(wù)器上的CGI程序和網(wǎng)頁(yè)，則可以完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與網(wǎng)頁(yè)的交互。而有了瀏覽器，用戶(hù)可以發(fā)送控制指令。服務(wù)器收到用戶(hù)數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后將分析后的指令發(fā)送到家中的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和管理。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)，需要完成參數(shù)采集和設(shè)備控制任務(wù)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)應(yīng)接收網(wǎng)絡(luò)集群中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，然后使用集群節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。

在智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，也要做好監(jiān)控軟件和遠(yuǎn)程控制軟件的設(shè)計(jì)。在監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)中，需要利用監(jiān)控模塊對(duì)家居信息進(jìn)行智能檢測(cè)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)向指定號(hào)碼發(fā)送消息，通過(guò)電子郵件向用戶(hù)發(fā)送直播畫(huà)面。此外，在遠(yuǎn)程控制軟件的設(shè)計(jì)中，需要完成家庭安防系統(tǒng)和家庭遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，安防系統(tǒng)具有防盜、防燃?xì)庑孤┑裙δ?，能夠?zhǔn)確監(jiān)測(cè)火災(zāi)等安全信號(hào)并自動(dòng)報(bào)警。遠(yuǎn)程控制軟件可以根據(jù)家電的運(yùn)行信息對(duì)家電進(jìn)行控制，保證家電正常工作。目前，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)家電運(yùn)行、閉路電視監(jiān)控、照明控制、水電抄表控制、多媒體控制等多種控制功能[5]。

7結(jié)語(yǔ)

研究發(fā)現(xiàn)，利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以完成更加實(shí)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而滿(mǎn)足現(xiàn)代家居的多樣化、個(gè)性化需求。該系統(tǒng)可以起到家庭照明控制、家電運(yùn)行控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)的作用。此外，該系統(tǒng)的功耗和成本也較低，通用性較強(qiáng)，可與各種家用電器進(jìn)行連接。目前，市面上大部分智能家居都是有線(xiàn)的，而本文則提出將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)，并對(duì)其總體結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和闡述。最后，通過(guò)仿真測(cè)試，取得了良好的應(yīng)用效果，希望可以為智能家居的發(fā)展提供參考。