基于LTE網絡的智能家居控制系統的設計與分析

薛飛

（江蘇省揚州技師學院，江蘇 揚州 225003）

[摘 要] 隨著通信技術的發展，4G網絡已經商用，而依賴于LTE制式的高傳輸帶寬，借助短距離通信協議形成無線傳感器網絡（WSN），可以設計與制作一個安全可靠的實時智能家居控制系統。重點研究控制系統的總體結構、基本組成、硬件模塊的設計方法等，并對該系統的工程應用進行論證與分析。

[關 鍵 詞] 無線傳感器網絡；LTE；WSN

[中圖分類號] TS63 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）03-0186-01

2016年5月至6月，筆者在前往德國德累斯頓工業大學培訓期間，參觀了德國的KBA與大眾集團兩家公司的智能化生產車間與FMS實驗室。通過參觀與調研，我們了解到：目前，歐洲主流的制造業企業正在大力推廣將WSN與工業控制技術相融合，實現自動化生產流水線的智能化、集成化與柔性化。受上述啟發，參照現有智能家居控制系統所存在的問題，本課題以一種新型智能家居控制系統的解決方案為實現目標，設計并分析如何將ZigBee、WSN與LTE三網絡相融合以實現無線通信和智能控制。

一、總體方案設計與分析

（一）CPU型號的選擇

采用TI公司的MSP430F149單片機作為該控制系統的CPU。單片機作為該系統的控制核心，在實現控制功能的基礎上，具有結構簡單、擴展容易、成本較低等優勢，便于實現多網融合的控制解決方案。

（二）室分通信系統的選擇

綜合考慮移動性、有效性及延展性，采用ZigBee作為室內分布通信系統的傳輸制式，即以ZigBee作為構成WSN的基礎。雖然超寬帶、藍牙及WIFI的數據傳輸速率都比ZigBee高，但是ZigBee制式在傳輸距離與能量消耗等諸多參數方面均占據著絕對的優勢。以ZigBee制式構建的無線傳感器網絡被業界公認為是合理和適用的。目前，傳感器技術的研究得到了快速發展，其應用范圍也非常廣泛。但是，只有將傳感器技術與無線網絡技術融合在一起，構成適用的WSN系統，才能最大限度地發揮通信技術與傳感器技術強大的功能。

（三）廣域通信制式的選擇

目前，我國三大運營商均已經開始大規模地推廣與商用4G-LTE制式，LTE（Long Term Evolution）是第四代通信協議制式中的一種，較目前主流的3G通信制式而言，LTE制式引入了OFDM（正交頻分復用技術）和MIMO（多輸入、多輸出技術）等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據上下行的吞吐量，并且其支持多種帶寬分配且能與無線通信制式頻段良好融合。以上這些特點均為實現廣域通信制式與WSN網絡的融合提供了技術與結構基礎。

目前，國內已經有較為成熟的基于ZigBee的實現WSN與GSM的融合設計方案與產品解決方案。但隨著4G-LTE的商用，LTE相比GSM制式，在頻譜效率與數據傳輸速率方面有著明顯的優勢，LTE協議網絡架構取消CS域，加寬PS域帶寬，所以在簡化系統結構、減小系統時延的基礎上，可以大大提升整體網絡的帶寬，更好地進行實時操作，并且LTE系統能夠更好地支持與其他通信制式的互操作。

二、硬件系統的具體設計與分析

（一）設計方案

本文提出并設計一種新型的基于4G-LTE網絡制式的實時監控智能控制系統。該系統采用單片機作為核心控制系統、通過無線傳感器檢測網絡以及4G通信模塊的實時通信，傳感器網絡有效采集各個節點的監控信號并及時反饋給控制系統，LTE通信模塊執行發送語音信息給設定服務中心或用戶終端，從而建立遠程通信鏈路，依托于4G網絡制式高帶寬的支持，該鏈路可以實時提供現場視頻或圖像信號的傳遞，更好、更優地實現智能家居的實時監控功能。本文設計的新型智能家居控制系統具有實時性好、可靠性高、交互性優、通用性和實用性強等特點，具有廣闊的應用前景。

（二）系統的硬件電路設計

網關模塊由CPU、TFT觸摸屏、LTE模塊、CC1000模塊和報警電路組成，是整個系統的核心，起到協調其他模塊、處理和分析數據等功能。為了延長傳輸距離、提高傳輸的可靠性，在本系統中加入中繼節點，以此提高這個系統的可靠性。中繼節點由MSP430F149和CC1000組成。通過測試發現，加了中繼節點之后，傳輸距離增加了15 m，系統誤碼率降低了50%。作為本套系統的核心模塊，MSP430F149被廣泛使用。為此，單獨設計MSP430最小系統，使這個系統具有很好的可移植性和擴展性。

三、結束語

本文提出并設計一種新型的基于4G-LTE網絡制式，與基于ZigBee的WSN網絡技術相融合的新型智能家居控制系統。該系統采用了模塊化的設計方式，具有實時性好、可靠性高、交互性優、通用性和實用性強等特點，具有廣闊的應用前景。本課題研究的后續延伸是探索將WSN與工業控制技術相融合，實現自動化生產流水線的智能化、集成化與柔性化。

參考文獻：

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