基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)的設計

尹曉峰(河南高速公路發(fā)展有限責任公司三門峽分公司,河南三門峽 472000)

基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)的設計

尹曉峰(河南高速公路發(fā)展有限責任公司三門峽分公司,河南三門峽 472000)

由于無線傳感器技術(shù)具有便捷、靈活、迅速等特點,其應用范圍越來越廣泛。智能家居控制系統(tǒng)使人們可以對家居內(nèi)的任意電器進行數(shù)字化控制,利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)將與家居生活有關的各種設備有機地結(jié)合在一起,進行集中管理,讓家居生活更舒適。

無線傳感器網(wǎng)絡 智能家居系統(tǒng) 設計

1 前言

無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,每一個微型節(jié)點通過短距離無線通信方式與其他節(jié)點進行通信,最終形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡最初應用于軍用偵察、環(huán)境探測等方面,但是目前隨著嵌入式技術(shù)的進步,目前無線傳感器網(wǎng)絡可使用的范圍也越來越廣泛。

智能家居系統(tǒng)可以劃分為外網(wǎng)、網(wǎng)關和內(nèi)網(wǎng)3個部分。外網(wǎng)可以是小區(qū)局域網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、電話網(wǎng)和Internet等,大多采用比較成熟的技術(shù)。內(nèi)網(wǎng)則是用于互連家庭內(nèi)部各種家電、設備的局域網(wǎng),由于所連接的設備千差萬別,其組網(wǎng)形式也表現(xiàn)出很大的多樣性。家庭內(nèi)網(wǎng)根據(jù)其功能大體上分為3類:用于實現(xiàn)控制功能的控制網(wǎng)絡,用于交換數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網(wǎng)絡。家庭網(wǎng)關是連接家庭內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的網(wǎng)絡連接設備,將內(nèi)網(wǎng)接入外網(wǎng),為外網(wǎng)提供對家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)設備的控制功能;同時家庭網(wǎng)關允許家庭內(nèi)部可以采用不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù),利用網(wǎng)關為不同的通信子網(wǎng)提供橋接的能力,使各子網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設備之間可以相互通信。

隨著無線傳感器技術(shù)的發(fā)展,人們將更多的注意力放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性上,從而出現(xiàn)了智能家居的概念。智能家居控制系統(tǒng)使人們可以對家居內(nèi)的任意電器進行數(shù)字化控制,利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)將與家居生活有關的各種設備有機地結(jié)合在一起,進行集中管理,讓家居生活更加舒適、安全、有效。

智能家居系統(tǒng)重點考慮的是家庭內(nèi)部通信網(wǎng)絡,主要包括智能家居網(wǎng)關和家庭智能傳感器節(jié)點2個部分。智能家居網(wǎng)關是家庭資源管理和配置中心,完成家庭組網(wǎng)和節(jié)點控制等功能。智能家居的網(wǎng)關通過組網(wǎng)技術(shù)連接家庭網(wǎng)絡中各傳感器開關節(jié)點,通過標準的通信協(xié)議對內(nèi)實現(xiàn)智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡的管理和控制,對外作為家庭網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡的信息的交互接口。智能家居能實現(xiàn)的各種功能,如:家庭監(jiān)控、內(nèi)外信息交互、能源管理、家庭安防、場景設置等都離不開智能家居網(wǎng)關的支持,許多功能都是基于智能家居網(wǎng)關而實現(xiàn)的。該技術(shù)也廣泛應用到了軍事、太空探索、智能家居、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領域。在伴隨著“信息時代”的到來,作為獲取信息的重要手段——傳感器技術(shù)得到飛速發(fā)展,其應用領域越來越廣,人們對其要求越來越高,需求也越來越迫切。但傳感器技術(shù)的廣泛應用以及飛速發(fā)展并不代表著該技術(shù)已經(jīng)成熟,相反在很多方面它還是一項新興的技術(shù),依然存在著很多問題等待我們?nèi)ソ鉀Q。如何能夠讓我們的傳感器裝置很快的適應周圍的環(huán)境,迅速準確的處理傳輸客戶所需求的信號,并可以根據(jù)客戶的要求作出相應的反應以及如何可以盡量的延長傳感器裝置的生存時間等等。這些問題都是我們在研究傳感器技術(shù)的過程中所應該解決的問題。

2 無線傳感器網(wǎng)絡

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks WSNs)是由眾多傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線網(wǎng)絡。其目的是感知、采集和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡覆蓋的感知對象的各種信息,并發(fā)送給觀測者。傳感器節(jié)點、感知對象和觀測者是無線傳感器網(wǎng)絡的3個組成部分:無線網(wǎng)絡是傳感器之間、傳感器節(jié)點與觀測者之間的通信基礎,用于在傳感器與觀測者之間建立通信路徑;感知、采集、處理、發(fā)送感知信息是傳感器網(wǎng)絡的基本功能。傳感器網(wǎng)絡中的部分或全部節(jié)點可以移動。傳感器網(wǎng)絡的分布形狀也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。傳感器節(jié)點由電源、傳感器元器件、處理器CPU、存儲器、通信部件和軟件幾部分構(gòu)成。

(2)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點,數(shù)據(jù)收集器和管理單元組成。傳感器節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集和節(jié)點間信息的傳送;數(shù)據(jù)收集器負責通過中繼方式傳送數(shù)據(jù)和指令;管理節(jié)點是對所采集的數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)布新的任務。

(3)智能家居網(wǎng)關是整個系統(tǒng)的核心,主要負責與系統(tǒng)中的各模塊協(xié)同工作。通過單片機及模塊中的各接口實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的調(diào)度。該模塊既可響應來自外部的電話及互聯(lián)網(wǎng)絡的控制請求指令,通過對指令的解釋,傳輸相應的狀態(tài)信息或控制調(diào)度各模塊動作,也可響應家居內(nèi)部的安防報警請求,并通過電話模塊向用戶發(fā)送報警信息。硬件部分包括CPU基本系統(tǒng)、以太網(wǎng)接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系統(tǒng)包括電源、復位、Flash、內(nèi)存等電路。

(4)系統(tǒng)上電后,對各模塊進行初始化操作,其主要功能包括水、電、氣3表的數(shù)據(jù)采集和存儲、報警信息的獲取、設防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。主控模塊處于待機狀態(tài),以中斷方式隨時響應來自網(wǎng)絡通信模塊、電話語音模塊及安防報警3方面的請求,其中的網(wǎng)絡通信模塊工作在服務模式下,偵聽來自互聯(lián)網(wǎng)的遠程控制請求。對于電話的連接請求,在核實用戶身份后,通過語音提示模塊引導用戶完成電話的按鍵指令操作,控制相關模塊動作,并以語音提示信息的方式向電話用戶回送相關信息;對于安防報警方面的請求,主控模塊則以用戶事先設定的電話號碼拔通用戶電話并以語音提示的方式向用戶發(fā)出報警。數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收要遵守家庭網(wǎng)關通信協(xié)議。

(5)網(wǎng)絡協(xié)議。物理層處于最底層,是整個開放系統(tǒng)的基礎,提供信號調(diào)制和信號的無線接收和發(fā)送技術(shù);數(shù)據(jù)鏈路層要為終端設備間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒介及其連接。主要責任是讓數(shù)據(jù)成幀,幀檢測,媒體訪問和差錯控制;網(wǎng)絡層主要完成路由的生成和選擇;為兩個端系統(tǒng)的會話層之間,提供建立、維護和取消傳輸連接的功能,控制數(shù)據(jù)流的傳輸,保證通信服務質(zhì)量;應用層是開放系統(tǒng)的最高層,直接為應用程序提供服務的,包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件;能量管理平臺主要管理傳感器節(jié)點如何使用能源,在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能源;移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動,維護到路由,使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置;任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務。

3 家用電器和網(wǎng)絡節(jié)點

在智能家居中我們實現(xiàn)的是對家用電器的智能化,就是通過嵌入電器中的控制節(jié)點來實現(xiàn)這些功能,但是家用電器根據(jù)其功能和作用可以分為智能家電和非智能家電。智能家電就像空調(diào),它可以在溫度達到其設定的溫度是轉(zhuǎn)換為睡眠狀態(tài)。非智能家電就像電視,我們不僅僅實現(xiàn)開關機,還要加入一些復雜的指令來實現(xiàn)選臺等一些別的功能。因此我們把節(jié)點分為簡單的控制節(jié)點和復雜的控制節(jié)點兩類。簡單的控制節(jié)點就是實現(xiàn)開關功能,復雜的控制節(jié)點不僅要實現(xiàn)開關功能,還要實現(xiàn)電器的一些復雜功能。區(qū)別了簡單的控制節(jié)點和復雜的控制節(jié)點,可以減少成本和提高網(wǎng)絡的效率。

(1)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。無線傳感器提供兩種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu):星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和點對點網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在家庭網(wǎng)絡中,我們是通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器來實現(xiàn)家用電器的控制,所以我們主體上是選用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),但是在一些家電中,由于它們之間的特殊關系,像電視機和錄像機,因為如果人在戶外又想回到家里就可以看到錯過的比賽或新聞,這時就需要用錄像機把比賽或新聞的情況錄下來,這個時候電視機和錄像機之間就有一種必然的聯(lián)系,因此我們就在一些這樣的家電中采用點對點的網(wǎng)絡控制,這個節(jié)點開啟了,不再發(fā)別的指令去開啟錄像機,通過電視的節(jié)點就可以控制錄像機中的節(jié)點。

(2)網(wǎng)絡組成。完整的智能家居系統(tǒng)包括:網(wǎng)關是實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡和外網(wǎng)的連接口,這樣我們可以通過INTERNET來對家庭網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器進行指令傳輸。GPRS系統(tǒng),有了該系統(tǒng)我們可以通過移動通信網(wǎng)絡用手機實時的對家庭網(wǎng)絡進行監(jiān)控。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器,實現(xiàn)對嵌入在家用電器中的控制節(jié)點進行指令控制,從而實現(xiàn)對家用電器的遠程無線控制,同時它還需要多種通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

4 分析與測試

基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)的測試分為三個部分。第一,硬件可靠性測試。由于各個從節(jié)點的工作環(huán)境不同,因此主要針對各個從節(jié)點的硬件進行全面測試。主要包括ESD、高低溫、陽光直曬、跌落等各項測試。第二,軟件可靠性測試。測試方法主要是進行各模塊功能測試。測試方法為等價值劃分法、邊界值測量法和場景法。測試步驟主要是使用等價值劃分法來劃分測試模塊邊界,然后使用邊界值測量法來對邊界進行檢驗,最后使用場景法模擬用戶使用來測試實際功能。測試結(jié)果顯示各模塊工作良好,對用戶操作的響應及時,界面友好。第三,無線網(wǎng)絡的抗干擾測試。本系統(tǒng)的設計基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)目標是家用系統(tǒng),主要測試方法是在系統(tǒng)正常工作后, 同時運行一些常見的2．4G無線設備進行同時工作,觀察本系統(tǒng)的工作狀況。主要測試設備是WIFI和藍牙系統(tǒng)。結(jié)果表明在同時使用WIFI和藍牙的環(huán)境下,系統(tǒng)工作良好,并沒有受到任何干擾,顯示出良好的無線抗干擾性能。

5 結(jié)語

以上分析與測試表明,基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)使用方便,界面友好,擴展性與可靠性較強,對于想要提高生活質(zhì)量,提升家居管理方式的應用場合,具有很高的使用價值。

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尹曉峰(1981—),男,河南伊川縣人,河南高速公路發(fā)展有限責任公司三門峽分公司科員。