物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)在智能家居中的應用研究

王宇豪，周 楊

（佳木斯大學 信息電子技術(shù)學院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引 言

傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應用，可借助傳感器技術(shù)實時動態(tài)地獲取精確、可靠的數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)裙ぷ鳎瑸槲锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用提供數(shù)據(jù)支持。目前，將傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合起來可充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，被廣泛應用在生產(chǎn)生活的方方面面。而在智能家居領(lǐng)域，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，可實現(xiàn)對智能家居全面動態(tài)化監(jiān)控，完善家居控制系統(tǒng)，促使智能家居朝著更舒適、更安全、更智能的方向發(fā)展。

1 傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應用

1.1 傳感器的概念

傳感器是一種重要的檢測裝置，能將某一被檢測的物理量，比如溫度、速度等變換為便于傳輸和處理的另一物理量，即電信號的裝置。傳感器具有微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡化的特點，是實現(xiàn)自動化檢測和自動化控制的首要環(huán)節(jié)，也是物聯(lián)網(wǎng)各組成部分的核心所在。物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)就是實現(xiàn)多個科技軟體分析工具的整合，可使信息傳播得更迅速、更準確。傳感器技術(shù)可以為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，獲取動態(tài)變化的信息，然后利用傳感器將信息準確、可靠和實時地傳輸出去。

1.2 傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的作用

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成，其中感知層是物聯(lián)網(wǎng)中各組成部分的關(guān)鍵，因為感知層的存在實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡傳播的功能。從物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展來看，想要促進其發(fā)展就要看傳感器的發(fā)展情況，這是因為物聯(lián)網(wǎng)機器之間的信息協(xié)作、測量和分析控制都需要依靠傳感器完成，將多個傳感科技和軟件分析工具整合起來推動生產(chǎn)效能的發(fā)展。保證信息傳播更加安全可靠和快速準確。物聯(lián)網(wǎng)可以通過傳感器技術(shù)的應用來獲取實時動態(tài)的信息，然后通過傳感器技術(shù)精確、可靠和實時地進行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化處理和傳輸，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應用提供相應的數(shù)據(jù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

2.1 智能化

物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的智能化發(fā)展，指在物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中，利用傳感器技術(shù)可以實現(xiàn)智能化的邏輯思考和判斷，并將智能化傳感器應用到化學、電磁、光學等研究領(lǐng)域中，不斷擴大物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的應用范圍。

2.2 微型化

微型化幾乎是所有現(xiàn)代科學技術(shù)的未來發(fā)展趨勢之一，從傳感器技術(shù)來看，現(xiàn)代新型微型傳感器由硅材料組成，體積小、重量輕，但是反應很快、靈敏度較高，且成本較低。近年來，微型傳感器在各個領(lǐng)域得到了應用和研究，使傳感器的體積設計越來越小，但是功能越來越強大，其中CAD技術(shù)、微機電系統(tǒng)技術(shù)、計算機集成電路技術(shù)等在傳感器設計中的應用促進了傳感器的微型化發(fā)展。

2.3 無線網(wǎng)絡化

由傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡是以嵌入式的系統(tǒng)實現(xiàn)對信息的分析處理的，同時隨機組織了無線通信網(wǎng)絡，將分布式信息處理、傳感器、現(xiàn)代網(wǎng)絡和無線通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)等綜合起來，并以多跳中繼的方式將感知到的信息傳輸?shù)接脩艚K端上，通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作實現(xiàn)實時監(jiān)測、感知和對環(huán)境以及其他被監(jiān)測對象信息的采集。

2.4 多功能化

多功能傳感器技術(shù)的發(fā)展，使其在農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)中應用的作用越來越明顯。多功能傳感器由多個敏感元件構(gòu)成，具有體積小、功能多樣的特點。傳感器的多功能特點依靠的是敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)和物理化學物質(zhì)以及不同的表征，是以單獨的傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)的。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設計思路

3.1 智能家居系統(tǒng)的總體設計

智能家居系統(tǒng)由內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)3部分組成，內(nèi)網(wǎng)負責連接各家電和其他設施設備，外網(wǎng)是小區(qū)局域網(wǎng)，負責實現(xiàn)遠距離的信息傳輸，而網(wǎng)關(guān)的作用是將內(nèi)外網(wǎng)連接起來。現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)的功能主要包括家電智能控制、燈光智能控制和家庭智能安防。根據(jù)以上功能可以將系統(tǒng)設計分成幾大功能模塊，即智能家居照明系統(tǒng)設計模塊、安防監(jiān)控模塊和家居監(jiān)控系統(tǒng)模塊。上述功能模塊的智能家居系統(tǒng)在設計時，主要包括拓撲結(jié)構(gòu)選擇、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計和軟件結(jié)構(gòu)設計三大部分。首先智能家居系統(tǒng)利用的是ZigBee技術(shù)，基于該技術(shù)的3種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有星型、簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲。本文設計的智能家居系統(tǒng)主要應用于普通家庭住宅，規(guī)模較小，所以選擇星型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡。在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計中包含末端節(jié)點結(jié)構(gòu)設計和家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)設計。在進行系統(tǒng)軟件設計時，要求使用模塊化設計，便于軟件系統(tǒng)開發(fā)和維護更新。

3.2 智能家居系統(tǒng)的硬件設計

硬件設計的流程：第一，根據(jù)節(jié)點功能確定實現(xiàn)各節(jié)點功能需要的模塊；第二，在綜合考慮芯片功能、參數(shù)和成本的基礎(chǔ)上選擇合適的芯片；第三，設計各模塊原理圖并畫圖然后加工電路板并調(diào)試電路。

3.2.1 通信模塊設計

通信模塊選擇ZigBee模塊，利用該模塊實現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)和末端節(jié)點之間的通信。核心芯片選擇時要檢驗其是否具有較高的靈敏度和抗干擾能力，同時還要考慮芯片的設計是否簡單、成本是否合理、能耗如何。電路設計時同時還要考慮減少電源干擾，實現(xiàn)阻抗的最佳匹配，同時還要考慮天線的選擇問題。

3.2.2 濕度傳感器模塊

室內(nèi)空氣濕度是衡量住宅是否舒適的一個重要指標，所以在智能家居系統(tǒng)模塊設計時，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)進行濕度傳感器模塊設計，是為監(jiān)測和采集室內(nèi)空氣的濕度，利用數(shù)字傳感器收集濕度信息并進行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果確定選擇怎樣的濕度敏感電阻。

3.2.3 火警監(jiān)測模塊

采用氣體傳感器設備檢測室內(nèi)空氣中一氧化碳的濃度及其變化，然后根據(jù)變化判斷火警。這類傳感器設備的靈敏度較高且價格較低、使用壽命較長、外圍電路相對簡單。芯片則使用高低溫循環(huán)檢測的方式，在低溫時檢測空氣中一氧化碳的濃度，傳感器的電阻會隨著一氧化碳濃度的上升而減小，在高溫時清洗傳感器吸附的雜散氣體。

3.2.4 煤氣檢測模塊

為避免家庭煤氣安全事故的發(fā)生，加強對煤氣泄漏現(xiàn)象的監(jiān)測變得十分重要。煤氣監(jiān)測模塊安裝在廚房中用來監(jiān)測煤氣泄漏的地方，在事故發(fā)生后能立即發(fā)出警報然后做出及時處理。尤其對廚房中一氧化碳含量的監(jiān)測是重點，本系統(tǒng)采用氣體傳感器監(jiān)測廚房煤氣泄漏現(xiàn)象，設計時不用高低電壓，電路設計相對簡單且和火警監(jiān)測模塊一樣，安裝了一個蜂鳴器，可以在發(fā)生事故時及時發(fā)出警報。

3.2.5 末端控制節(jié)點設計

在硬件結(jié)構(gòu)設計中，末端控制節(jié)點設計的作用是根據(jù)智能網(wǎng)管系統(tǒng)發(fā)來的指令控制智能家電開關(guān)，利用MCU集中控制繼電器來控制智能家電開關(guān)的通斷，執(zhí)行模塊的電路設計非常簡單，可直接使用核心芯片中集成的MCU。

3.3 智能家居系統(tǒng)的軟件設計

智能家居系統(tǒng)軟件設計流程是：第一，安裝開發(fā)平臺；第二，編寫代碼生成的可執(zhí)行文件；第三，編寫程序并進行調(diào)試檢驗；第四，修改代碼并再次進行測試。總體而言，包括采集節(jié)點軟件設計、控制節(jié)點軟件設計和網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設計。

3.3.1 采集節(jié)點軟件設計

在采集節(jié)點軟件設計時，考慮到采集節(jié)點負責的是數(shù)據(jù)的采集和傳輸，一般由電池供電，為減少電能消耗，延長電池使用，在設計時設置為節(jié)能的休眠模式，即每隔一段時間進入休眠然后再被喚醒。節(jié)點在加入網(wǎng)絡后會采集相應的數(shù)據(jù)并和程序中預先設定的溫度范圍比較，將比較的結(jié)果發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后節(jié)點會再次進入休眠，等待下一次被喚醒。

3.3.2 控制節(jié)點軟件設計

控制節(jié)點軟件設計相對簡單，作用是接收網(wǎng)關(guān)命令并執(zhí)行操作。在設計時必須考慮控制節(jié)點時時刻刻都在正常的工作狀態(tài)，這樣才能及時發(fā)送命令并做出反應。

3.3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點是用來接收、處理數(shù)據(jù)和進行命令發(fā)送的，接收的數(shù)據(jù)包括采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)和用戶發(fā)送的命令。網(wǎng)關(guān)在設計時需要注意能實現(xiàn)對這些不同數(shù)據(jù)信息的收集和分析，然后確定下一步的操作控制。

4 智能家居系統(tǒng)的三大重要子模塊

4.1 智能家居照明系統(tǒng)

智能家居照明系統(tǒng)和傳統(tǒng)照明不同的是，基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的智能照明系統(tǒng)具有多點操作和集中化控制的功能、燈光明暗調(diào)節(jié)功能、全開全關(guān)和記憶功能以及定時控制、場景設置等功能，符合節(jié)能降耗的原則，也因為多功能滿足人們的多元化需求。在進行設計時，采用無線控制方式，包括藍牙、WiFi和ZigBee。其中ZigBee是基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)進行智能家居照明系統(tǒng)設計中主要的無線網(wǎng)絡技術(shù)，具有近程、低速率、低功耗的優(yōu)勢，適合用在遠程控制和自動化控制的領(lǐng)域。

4.2 智能家居安防系統(tǒng)

智能家居安防系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層和應用層3層體系結(jié)構(gòu)為依據(jù)，感知層利用人體探測器、煙霧探測器等實現(xiàn)安全防護信息實時采集，利用ZigBee技術(shù)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡；網(wǎng)絡層則利用嵌入式的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)和感知層連接，通信網(wǎng)絡中包括無線網(wǎng)絡和光纖網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和通信，將信息傳輸給應用層，應用層則提高安全管理水平。

4.3 智能家庭控制系統(tǒng)

智能家居家庭控制系統(tǒng)利用相應的傳感器、合適的芯片以及ZigBee技術(shù)進行軟硬件設計，并構(gòu)建管理平臺，可實現(xiàn)對家中各電器設備和其他設施設備的監(jiān)督控制。這樣用戶不管在不在家中都能通過手機和家中終端連接，實現(xiàn)對家中家電、天然氣、水和外來人員的監(jiān)督控制，使家居生活更舒適和安全。

5 結(jié) 語

隨著科學技術(shù)在家居系統(tǒng)設計中的應用，對家居環(huán)境的整體要求也越來越高，智能家居系統(tǒng)的出現(xiàn)和應用，促使了物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)在家居系統(tǒng)中設計的應用。本文分析了傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的特點和優(yōu)勢，對基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的智能家居系統(tǒng)進行了研究分析。提出了基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設計，利用ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)終端用戶和中央的連接，實現(xiàn)中央控制器對家居系統(tǒng)的控制，達到智能家居安全、舒適和智能的效果。