智能小車對提高智能居家系統(tǒng)穩(wěn)定性的應用研究

李玲香 羅 鵬

(湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州 425199)

智能小車對提高智能居家系統(tǒng)穩(wěn)定性的應用研究

李玲香 羅 鵬

(湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州 425199)

針對ZigBee智能居家系統(tǒng)中的網(wǎng)絡節(jié)點覆蓋范圍受環(huán)境因素影響較大，網(wǎng)絡可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，從而導致智能居家系統(tǒng)整體性能下降的問題。論文設計了一個移動的ZigBee節(jié)點——智能小車，它可以識別用戶家居環(huán)境中不同的房間及巡視居家環(huán)境，從而采集居家環(huán)境的不同地點傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，對故障節(jié)點進行修復。實驗證明，在智能家居系統(tǒng)中加入智能小車可以降低系統(tǒng)出故障的概率，提高了系統(tǒng)的覆蓋范圍和穩(wěn)定性。

智能家居；ZigBee；智能小車

0 引 言

當前，智能家居系統(tǒng)中的內(nèi)部家庭網(wǎng)絡所采用的連接技術可以“有線”和“無線”兩大類[1]。有線方式雖然穩(wěn)定可靠，但是布線困難，可可擴展性和維護性差，而無線技術以其傳輸靈活，移動性強等有線方式無法比擬的優(yōu)點而成為智能家居聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展方向。近年來研究的無線傳感網(wǎng)絡ZigBee網(wǎng)絡已經(jīng)成為智能家居家內(nèi)部組網(wǎng)的研究重點[2]。雖然Zigbee技術基本可以滿足當前的組網(wǎng)需求，但是在網(wǎng)絡容量，網(wǎng)絡覆蓋，抗干擾性等方面還存在不足[3]。無線智能家居網(wǎng)絡節(jié)點通信范圍小、穩(wěn)定性差是現(xiàn)階段智能家居網(wǎng)絡需要解決的主要問題之一。

本文在搭建好ZigBee智能家居網(wǎng)絡的基礎上，采用廣東天嵌公司的TQ2440開發(fā)板和三星公司的ARM9芯片，設計可以自動尋跡的移動ZigBee節(jié)點來提高智能家居網(wǎng)絡的通信范圍，增加網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

1 移動巡航節(jié)點必要性分析

智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡拓撲常采用星型、樹型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對于靈活性、可靠性最優(yōu)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中有一條鏈路斷開時，ZigBee協(xié)調(diào)器都會根據(jù)路由表找到新的傳輸路徑，但是有一種情況如圖-1所示，當節(jié)點B發(fā)生故障時，節(jié)點A就會脫離網(wǎng)絡，為了解決這種突發(fā)情況，將節(jié)點C安裝在擁有自動巡航功能的智能小車上，當節(jié)點B發(fā)生故障時智能小車搭載節(jié)點C通過紅外尋跡，到達故障節(jié)點B的大概位置，對網(wǎng)絡進行修復與補充。

圖1 智能小車排障示意圖

如果用戶對系統(tǒng)的連接時延，誤碼率要求非常高，可以采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)絡具有最低的網(wǎng)絡復雜度，但是其網(wǎng)絡覆蓋范圍與網(wǎng)絡穩(wěn)定性也是最低的，引入智能小車巡航功能也可以提高其網(wǎng)絡覆蓋范圍。在星型網(wǎng)絡中，智能小車必須安裝ZigBee協(xié)調(diào)器，這樣才能最大程度的提高網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

2 智能小車在智能居家系統(tǒng)中的應用實現(xiàn)

2.1 智能小車尋跡策略實現(xiàn)

智能小車的巡航功能要通過尋跡算法實現(xiàn)智能小車對任務點的識別和智能小車出軌后的尋線動作[4]。本文中的智能小車采用文獻[4]中紅外線尋跡策略，在智能小車的車頭部分安裝了8個紅外傳感器，用于檢測小車行駛路徑。每個傳感器間距20mm，在制作尋跡道路的時候，將道路的寬度定為40～45mm，通過檢測到黑色路徑的傳感器編號來確定小車在道路中的位置，如圖-2所示。智能小車通過尋跡路線預判路徑的方向與轉(zhuǎn)角，然后，通過安裝在電機上的光電編碼器碼盤檢測小車底部4個電機的傳動速度，根據(jù)紅外傳感器獲取到的道路情況，使用脈寬調(diào)制PWM控制技術調(diào)節(jié)4個電機的轉(zhuǎn)速，從而達到小車轉(zhuǎn)彎的目的[5]。

圖2 紅外尋跡與軌道示意圖

圖2中所示的每個紅外線傳感器之間的距離和黑線的寬度，這就使得小車在走直線時最少有2個紅外傳感器線檢測到黑線，最多有3個紅外傳感器檢測到黑線，如果用0表示紅外傳感器檢測到白，用1表示紅外傳感器檢測到黑，則智能小車就可以通過紅外傳感器獲取黑線信息，從而控制小車的轉(zhuǎn)向。

本文中的智能小車是通過4個由直流電機驅(qū)動的輪子不同轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎動作。由于處理器輸出的信號功率不能驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動，所以通過2塊電機驅(qū)動芯片L298N芯片來驅(qū)動4個直流電機。

2.2 任務點設置

智能小車雖然可以根據(jù)黑線的直與彎自動尋跡行進，但它只能按照用戶規(guī)定的路線進行巡視。在智能家居系統(tǒng)中，用戶往往需要獲取不同地點、不同房間的環(huán)境信息，針對這個問題，本文通過在黑線上設置任務點，使得智能小車可以識別不同的房間和地點。

設置任務點的思想就是利用黑線和白線設置不同的排列組合，這些排列組合必須區(qū)別與正常行駛是的幾種組合方式，當紅外線傳感器檢測到的排列組合和開發(fā)者在程序中定義排列組合相對應的時候，小車就可以根據(jù)開發(fā)者在程序中對這種排列組合的描述來確定所處的房間位置。

由于實際環(huán)境中地面可能會出現(xiàn)裂痕、污點或雜物，這些因素會影響到紅外線傳感器對任務點檢測，從而判斷錯誤。在本文中的任務點選取了幾種連續(xù)黑線或者不容易產(chǎn)生混淆的黑線設置方案，又由于小車的車體可能會有大概一個傳感器距離的偏差，所以，最終可以明顯辨別的黑線編碼方式并不多，可用到的幾種編碼方式如圖-3所示。

圖3 五種任務點示意圖

考慮到小車直行時車體位置可能出現(xiàn)的誤差，對出現(xiàn)誤差時任務點可能的情況進行分析，選出了五中辨識度較高的任務點設置方案，具體編碼如表-1所示。

表-1任務點編碼表

2.3 智能小車尋跡實現(xiàn)

本文尋跡算法的原理是根據(jù)紅外線傳感器獲取的黑線情況估計小車與黑線的位置關系，然后通過調(diào)節(jié)左右輪子的轉(zhuǎn)速，控制小車調(diào)整車體位置，從而達到轉(zhuǎn)彎的目的，紅外線傳感器檢測到黑線則發(fā)送1到處理器，否則就發(fā)送0到處理器，處理器收到紅外線傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，使用8次循環(huán)對8個傳感器數(shù)據(jù)進行處理，紅外線傳感器從左到右依次賦以權重值i=0、1、2、3、4、5、6、7，a為傳感器傳送到處理器的信息0或1，通過公式（1）求得智能小車的轉(zhuǎn)彎速度的權值，其中sum為檢測到黑線的紅外線傳感器個數(shù)，通過公式（2）和（3）可以計算出小車過彎時右側(cè)輪子和左側(cè)輪子的轉(zhuǎn)速，其中R可控制轉(zhuǎn)角大小，V是小車直行是輪子的轉(zhuǎn)速。可見當黑線在小車中間時，3、4號傳感器檢測到黑線時=0，和都等于小車直行是的轉(zhuǎn)速；當黑線偏左時，為負數(shù)，變大，變小，小車做左轉(zhuǎn)彎動作；當黑線偏右時，為正數(shù)，變小，變大，小車做右轉(zhuǎn)彎動作。

智能小車識別任務點是在尋跡程序中定義了任務點對應的紅外線傳感器檢測到黑線的情況，并把他們保存在數(shù)組之中，當紅外線傳感器輸入值和數(shù)組之中的某一項相同時，則進入任務點，執(zhí)行用戶指定的任務動作。智能小車出軌后自動尋線動作要考慮到全白任務點的存在，當小車紅外線傳感器輸入全零時，進入時間為2秒的延遲，期間小車繼續(xù)直行，如果2秒延遲過后檢測不到黑線，則智能小車向左轉(zhuǎn)向90度，每隔一秒轉(zhuǎn)角減小5度，這樣，小車就會不斷的增大轉(zhuǎn)角做圓周運動，當重新檢測到黑線是，繼續(xù)通過黑線做尋跡行駛。圖-4為智能小車軟件實現(xiàn)流程圖。

圖4 智能小車程序流程圖

3 實驗與分析

為了獲取ZigBee網(wǎng)絡性能參數(shù)，本文將Z-Stack協(xié)議棧Profile文件夾下AF.c文件中的結(jié)構(gòu)體afIncomingMSGP acket_t提取出來，在終端節(jié)點上連接CC Debugger仿真器，通過IAR的程序斷定調(diào)試功能，檢測不同時刻RSSI和LQI參數(shù)指標。

其中RSSI即為信號強度指示，是真實的接收信號強度與最優(yōu)接收功率等級間的差值，RSSI在無線網(wǎng)絡中表示信號的強度，它隨距離的增大而衰減，通常為負值，該值越接近零，說明信號強度越高；LQI是鏈路質(zhì)量指示，表示接收數(shù)據(jù)幀的能量與質(zhì)量，其大小基于信號強度以及檢測到的信噪比，由MAC層計算得到并提供給上一層，一般與正確接收到數(shù)據(jù)幀的概率有關[6]。圖-5與圖-6分別為協(xié)調(diào)器圖5與圖6分別為協(xié)調(diào)器與測試節(jié)點相距0～30米的無障礙環(huán)境中測得的RSSI指數(shù)與LQI指數(shù)分布圖。

圖5 無障礙環(huán)境RSSI統(tǒng)計圖

圖6 無障礙環(huán)境LQI統(tǒng)計圖

由圖-5，圖-6可以看出本文中的ZigBee節(jié)點在0到30米的無障礙視距環(huán)境中，隨著兩個節(jié)點之間距離的增大，信號強度RSSI和鏈路質(zhì)量LQI呈下降趨勢。 通過實際的測試與總結(jié)，當兩個節(jié)點相距在30米以內(nèi)時，通信基本可靠與快捷，當距離大于30米時，節(jié)點之間經(jīng)常發(fā)生丟包或者綁定斷開的情況，從而影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

在搭建好ZigBee智能家居網(wǎng)絡，實現(xiàn)Android智能終端的遠程控制后，將一個ZR設備安裝到智能小車上，通過智能小車的自動尋跡功能，這個ZG節(jié)點可以在其他ZR節(jié)點出現(xiàn)故障時修復故障節(jié)點，如果將ZC設備安裝到智能小車上，則小車可以在很大的范圍內(nèi)收集各個終端節(jié)點的環(huán)境信息。如圖7所示智能居家環(huán)境中，小車能根據(jù)黑線中設置的任務點來識別不同的房間，在到達不同房間后收集環(huán)境信息，也可以在協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點之間建立路由，從而使終端節(jié)點可以接收到來自與協(xié)調(diào)器的控制命令，提高了網(wǎng)絡的可靠性和穩(wěn)定性，擴展了網(wǎng)絡覆蓋范圍。

圖7 智能小車循跡示意圖

5 結(jié)束語

本文在智能家居系統(tǒng)中引入了能夠自動尋跡的智能小車，這樣做的優(yōu)點是：一時通過智能小車自動尋跡功能，在某些節(jié)點脫離網(wǎng)絡時，智能小車移動到此節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間的位置，在其和協(xié)調(diào)器之間建立中繼路由，提高居家網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；二是可以在某些星狀網(wǎng)絡中搭載協(xié)調(diào)器，對網(wǎng)絡中各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行收集，從而在減小網(wǎng)絡復雜度的前提下，擁有比較大的網(wǎng)絡覆蓋范圍。

[1]高小平.中國智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].低壓電器, 2005,(04):18-21.

[2]易強.基于3G和Zigee的智能家居無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].廣東:廣東工業(yè)大學,2012.

[3]物聯(lián)網(wǎng)智能家居的發(fā)展前景[EB/OL].http://www.cnjj.com/ news/show.php?itemid=6265,2013-06-03.

[4]胡媛媛,鄧世建,王書婧.基于紅外線傳感器的智能尋跡小車設計[J].電子設計與工程,2011,19(04):141-143.

[5]Z-Stack Developer’s Guide.Texas Instruments.Document Number:SWRA176,2011.

[6]劉建國.基于DRNG的WIA-PA網(wǎng)絡拓撲控制研究[D].重慶:西南大學,2011.

Application of Automatic Guided Vehicle to Improve Stability of Smart Home Systems

LI Ling-xiang LUO Peng

(Computer department,Hunan University of Science and Engineering,Hunan Yongzhou,425199,China)

To address the problem in which the overall performance of a smart home system might be degraded with the instability of its ZigBee network,due to that the area covered by its nodes subject to the impact from environmental factors,this paper proposes the design of a mobile ZigBee node,namely Automatic Guided Vehicle(AGV),which is able to identify different rooms in a smart home and to monitor the home environment,even to collect data from various sensor nodes in the smart home and to repair any fault nodes.Experiments show that an AGV unit in a smart home system reduces the probability of system failure and improves the coverage and stability of the system.

Automatic Guided Vehicle(AGV),ZigBee,Smart Home Syste

TP18,TP183,TB115

A

1673-2219（2014）05-0125-04

2014－02－22

湖南省教育廳科技項目（11C0599, 11C0598），永州市科技局資助項目（永科發(fā)[2012]9號

李玲香(1976－)，女，湖南郴州人，講師。研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡、移動通信、信號與信息處理。

（責任編校：劉志壯）