基于無線傳感器網絡的智能家居系統設計與實現

鄭 潔，袁林江

（浙江工業大學之江學院，浙江 紹興 312030）

0 引 言

智能家居系統中最為重要的設計初衷之一，就是給現實生活中的家庭創造出更加便捷、現代化的生活環境以及工作環境。但是以往的智能家居環境控制系統一般都要有布線環節，而布線過程往往較為繁雜，也會較大幅度地增加成本。因此，基于無線多點傳感器網絡的技術應運而生。通過這一技術可以使得傳統工作實現設計和部署更加簡單化，還可以降低整個系統所需的成本。

1 概 述

智能家居系統，其特點是充分地利用先進的計算機技術、無線傳感器網絡等多種現代化的技術，把各種各樣的智能家居設備連接起來，以此給人們創造出更加方便、適宜的智能家居方式。目前，采用的較為傳統的智能家居環境控制傳感器系統一般都是采用有線控制這一基本方式，但整個系統的安裝過程以及后期的保養維護需要的成本往往都比較高，而且固定之后移動應用的可能性較小。將無線傳感器網絡這一先進的技術引入并應用到智能家居中，能夠對智能家居環境的整體狀況進行檢測并實現自動化的控制，建立基于無線傳感器網絡技術的智能家居系統［1］。

2 國內智能家居現狀與存在的問題

目前，我國已經掌握智能家居這一系統設計的技術，并且這一技術也呈現出較為快速的發展趨勢。但是從整體情況上來看，一方面國內的智能家居系統產業仍然處于一個快速起步的階段，智能家居系統產品的主要生產廠家并不是以生產和經營智能家居為主，而且還尚且未完全達到一個規模化的生產水平。另一方面，由于我國的無線傳感器網絡技術正處于快速進步的進程中，所以使得某些住宅開發商開始著手于規劃和建設出更具經濟效益的智能化家居建筑。例如，在一些比較高端的生活住宅小區內，其內部的控制以及管理工作都是以智能化為主，是商業住宅智能化家居的具體體現。

目前，我國中高端智能家居的市場正在保持穩步發展，但還是存在一些亟待解決的關鍵技術問題，總結分析如下。

（1）行業標準尚未完全形成。目前，由于我國存在多個高端智能家居的生產廠家，所以其生產出的產品也是存在多樣性，使得高端智能家居并不能具有良好的兼容性。相關部門對于智能家居系統的開發存在一定程度的理解偏差，會出現難以整合行業標準的問題，從而給國產產品的推廣及應用帶來很大的阻力。

（2）產品不能滿足用戶的需求。通常，家居用戶往往更關注產品具有的實用功能，但是在眾多功能中某些特殊功能是家居用戶短期內不需要使用的功能，說明存在功能冗余的情況；同時，在當前已有的產品中，大多數產品的使用過程過于繁雜，并未體現出實用化、人性化的應用特點［2］。

（3）售后支持有待提高。從智能家居的設計上看，該系統是一個極為復雜的使用系統，雖然集成了很多不同的技術手段，但是在實際應用的過程中，如果采用不合理的使用方式，很可能會造成因系統損壞而無法使用的情況。此外，該系統的維修過程通常比較麻煩，因此需要廠家能夠為用戶提高其售后服務質量，并加快建設售后的保障體系。

（4）網絡安全需要高度重視。由于智能家居設備通常都是通過物聯網實現對家居的遠程控制操作，因此如果物聯網網絡存在安全隱患，就會導致智能家居系統也會出現安全風險。這是企業應當高度重視的問題。

3 基于無線傳感器網絡的智能家居系統設計原則與結構

3.1 設計原則

通過將智能家居系統與無線傳感器網絡緊密地結合起來，可以大大地增強整個系統的功能完善性以及整個系統的智能性。首先，要非常注重智能家居系統在整體上所采用的設計技術的可實施性以及所設計系統在將來應用過程當中的實用性，要能夠確保按照整個設計方案正常、順利地進行。其次，基于無線傳感器網絡這一技術的智能家居系統的實現應當嚴格地遵循開放性以及科學標準化的設計原則。再次，在當前智能家居的技術發展和應用過程中，系統的設備和標準是一個很大的技術瓶頸，因此在具體的系統設計實施工作中要充分地重視這一點。最后，要加大限度地注重整個系統設計結果的穩定性及可靠性，保證其能夠正常地投入到實際應用中［3］。

3.2 設計結構

首先，在整個系統的結構設計工作過程中，應當特別注意如何高效率地通過與無線傳感器網絡技術相結合達到分析網絡規模的目標。第一，網絡規模是無線傳感器技術的較為重要基礎和特點，它的應用可以大幅度地提高傳感器信息采集和監測的效率和精度，并且可以減少對單個無線傳感器其網絡節點的干擾和依賴。第二，系統的協調器體系以及其結構也是無線傳感器的重要組成部分，而該體系主要是指采用IPv6協議的無線傳感器網絡其整體結構，包括有網絡協調器、輔助網絡協調器以及相對應的終端網絡設備等。第三，傳感器網絡的協調器是整個系統中的一個核心的組成部分。第四，智能家居結構還需要具有較高數據計算能力和數據存儲容量的傳感器。例如，ZigBee就是具有較高數據計算能力和較大數據存儲容量的傳感器，其可以檢測到在相應網絡范圍內的所有節點。

其次，無線傳感器可以有多種不同的網絡結構，其中最為常見的就是混合星型網絡結構，由主協調器和其他智能家居設備處理器組成。而拓撲網狀結構也是單跳星型網絡結構，負責整體的智能家居網絡的基礎建設和運營管理，在整個智能家居當中處于網絡的中心地位。此外，這還是一種基于平等通信原則的網絡結構。

4 無線傳感器網絡的智能家居系統的設計

4.1 需求分析

這一系統的設計初衷是為了在未來的生活當中給消費者提供現代化的生活及居住環境。結合總體設計初衷，本文從家居環境的監測、家庭傳感器設備的控制、家居安全、家居節能四個方面詳細地分析基于無線傳感器網絡進行的智能家居系統的設計和這一系統的實際應用需求。

（1）家居環境的監測。對家居環境當中的信息進行監測，這是在生活當中的實際需要，實現家居環境的監測可以促使更多的用戶能夠詳細地獲取發生在其所處環境當中的各種與其有關的信息。

（2）家庭設備控制。家庭設備控制能夠實現、允許用戶可以通過遠程控制的模式對其家庭設備進行有需要的操作。

（3）家居安全。家居安全是指能夠監控所處環境中所有可以影響家居安全的信息，當出現相關危害情況時，能夠及時地通過系統發出相應的報警信息，以最大限度地減小風險，避免帶來損失，保障安全。

（4）家居節能。家居節能是能夠使用戶可以及時地監測并獲取家庭環境當中所有使用當中的用電設備的耗電量信息，從而為用戶提供家庭節能方面有用的措施和相關的可行建議。

4.2 功能模塊分析

（1）家居無線傳感器網絡。這是整個系統的基礎模塊，它主要是負責感知家居情況的一些相關信息，通過接收用戶的指令來控制與其相關的家居設施。

（2）WEB 服務器。它主要是負責保存用戶的家庭環境當中相關的一些參數設置信息。通過瀏覽器連接到WEB 服務器，可以方便用戶查看家庭環境當中的一些實時信息以及歷史信息。

（3）用戶端。開發者可以直接通過用戶端瀏覽器或者基于移動計算機終端的智能家居應用程序直接訪問用戶端智能家居的系統。如果需要允許用戶端開發者使用APP 進行網絡訪問，則用戶需要自己開發專門的用戶端智能家居系統應用程序。

（4）智能家居網關。它是一個核心節點，還通過互聯網連接與用戶和網絡服務器進行通信，向用戶和網絡服務器發送感知信息，并接收用戶的指令。

4.3 系統設計

首先，在基于無線傳感器網絡的智能家居的整體開發和設計過程中，應當注意網絡設備管理控制器的設計和應用，因為該控制器的設計和應用是智能家居系統設計的核心組成部分。其中，網絡路由器以及數據的傳輸網絡是整個智能家居系統的關鍵組成環境，通過合理設計網絡路由器和協議配置，可以最大限度地為智能家居系統控制和節省網絡流量消耗。此外，在整個系統的具體設計工作過程中，應該注意傳感器功能的優化以及完善。例如，需要注意無線傳感器的開關控制節點的設置工作，直接模擬網絡溫度、濕度、光照、煙霧等一系列的信息，從而提高基于無線傳感器網絡的智能家居設計效率［4］。

其次，在無線網絡控制協調器及其節點的設計及應用方面上，應當特別注意無線通信系統的設計和應用。第一，從無線通信系統的設計上看，CC2420總共有2 個緩沖區寄存器可以訪問FIFO 緩沖區，即RXFIFO 寄存器和TXTXFIFO 寄存器，而這兩種寄存器都是利用混合訪問處理器的方式，將數據發送至FIFO 緩沖區。第二，這種無線通信應用程序的功能主要包括處理器系統的初始化、數據包的發送和接收等重要功能。第三，在寄存器發送數據包的設計方面，CC2420 可以將通過TXFIFO 寄存器和緩沖區發送的兩個數據包，分別寫入混合訪問式的TXFIFO 處理器中，以便在處理器在沒有需要發送數據時可以激活訪問STXON 或激活STXONCCA。第四，在對數據包的接收和緩沖區功能的設計方面，當兩個芯片同時處于數據接收狀態時，可以將兩個數據包在同一時間存儲在一個緩沖器當中，并且切換兩個PIN 值。

最后，微處理器和緩沖區模塊的基本功能設計，也是基于無線傳感器網絡的智能家居系統設計的重要部分。同時，微處理器和緩沖區模塊的基本功能設計，也可以作為以SPI 總線微處理器為核心的智能家居系統，在系統數據和系統控制之間的信號接收和傳輸的主要載體。在選用以SPI 總線為核心的微處理器中，由于其可以被用于更多的內部處理器資源、模數轉換、總線微控制器局域網接口、CAN 總線處理器接口的設計和開發中，所以這種以SPI 總線微處理器為核心的智能家居系統，更適合于低功耗家庭應用的芯片。

5 結 論

隨著智能家居的快速發展，以及現代人們對于高品質家居生活的追求，基于無線傳感器網絡的智能家居系統將會擁有越來越廣泛的發展前景。