基于無線傳感器網絡的智能家居系統的應用

王瑤

關鍵詞：無線傳感器網絡智能家居系統設計

1引言

所謂智能家居系統，其實就是利用嵌入式系統技術實現智能家居管理的終端。智能家居系統可以利用各種通信手段獲取控制指令，并借助傳感器網絡提供的信息完成智能判斷。智能家居系統在家居環境管理方面具有安全、便捷的優勢。隨著人們生活水平的提高，智能家居系統逐漸滲透到人們的生活中。因此，應該加強對智能家居系統設計的研究，從而為人們的生活提供更多的便利。

2無線傳感器網絡和智能家居系統

近年來，無線傳感器網絡（WSN）技術迅速發展并受到廣泛關注，它的出現和發展對現代科學技術產生了深遠的影響。與傳統網絡技術不同，無線傳感器網絡技術將現代無線通信技術、微傳感器技術和網絡技術有機融合，成為近年來國內外的研究熱點，引起了世界上許多國家軍事界、學術界和工業界的高度重視，應用前景十分廣闊。

無線傳感器網絡是一個獨立的計算機網絡，其基本單元是節點，集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源四個模塊。傳統計算機網絡技術的成熟解決方案對無線傳感器網絡具有借鑒意義[1]。然而，根據無線傳感器網絡的用途和功能開發專用的通信協議和路由算法，已經成為無線傳感器網絡領域中一個迫切的研究課題。智能家居集建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化于一體，構建了集系統、結構、服務、管理于一體的高效、舒適、安全、便捷、環保的生活環境。

智能家居可以定義為一個過程或一個系統，其利用先進的計算機技術、網絡通信技術和綜合布線技術，將與家居生活相關的各個子系統有機地結合在一起，通過統籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，還提供了舒適、安全、高檔、愉悅的家庭居住空間。家居從原來被動的靜態結構變成了擁有主動智慧的工具，擁有全方位的信息交流功能，可以幫助家庭與外界保持信息交流暢通，優化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至節省了各種能源成本。

3總體結構和工作原理

無線傳感器網絡的層次及其協議的集合就是網絡體系結構[2]。在架構上，無線傳感器網絡的概念清晰、理論完整。在OSI七層協議架構中，TCP/IP是一個四層架構，包括應用層、傳輸層、互聯網層和網絡接口層。但是，本質上，TCP/IP只有前三層架構。結合它們的優點，無線傳感器網絡采用了五層協議體系。其中，應用層負責通過應用進程之間的交互完成特定的網絡應用;傳輸層負責為兩臺主機中進程之間的通信提供通用的數據傳輸服務;網絡層負責為分組交換網絡上的不同主機提供通信服務;數據鏈路層將網絡層移交的IP數據報組裝成幀進行傳輸;物理層傳輸的數據單位為比特。以上五層協議體系構成了無線傳感器網絡的體系結構，并按照各自的功能和任務運行。

4家庭安防系統安全功能的實現過程

智能家居安防系統的技術基礎是無線傳感器網絡，在執行一定的安全功能時，首先要在控制中心的基礎上建立一定的網絡節點布局工作，然后借助計算機、工作站和信息模塊進一步完善家庭安全系統的不同功能。具體來說，需要結合實際系統功能設置傳感器節點，只有這樣才能充分獲取一些相關的智能家居信息。傳感器節點的分布位置要全面、有規劃，一些關鍵位置不能遺漏。這一步完成后，需要建立一定的門牌號和節點號，通過編寫清晰的節點碼就可以實現智能家居門牌號的一一對應。一般而言，按照統一規劃的基本原則，此時需要在特定房間建立合適數量的節點，全方位地模擬實際情況，可以說這是完成整個系統功能的重中之重。最后一個環節則是基礎數據處理環節，數據處理的目的是幫助系統識別智能家居安全系統的內部語言。

具體來說，數據處理功能主要包括以下幾個方面：通過對無線傳感器網絡中涉及的傳感器對應節點的位置信息進行處理，通過處理可以獲得關于室內溫度、光照強度等方面的信息，同時可以將傳感器采集到的數據信息進行打包或調整，再借助一定的匯聚節點發送給整個智能家居安防系統的其他模塊;系統控制中心對數據信息的處理過程主要基于數據庫的存儲，通過數據信息的存儲實現實時調用;智能家居安防系統還需要處理一定的規劃數據，然后在此前提下優化后期參數，進一步發送控制指令。

5智能家居系統中的無線傳感器網絡技術

5.1基本原則

無線傳感器網絡是一種分布式傳感器網絡，其末端是一個能夠感知和檢查外界的傳感器。無線傳感器網絡中的傳感器通過無線方式進行通信，因此網絡設置靈活，設備的位置可以隨時更改，也可以通過有線或無線方式與互聯網進行連接?；诘凸摹⒆越M織、高可靠性和低成本的無線傳感器網絡是構建家庭無線網絡的最佳選擇。無線傳感器網絡可以利用現有的互聯網、移動通信網絡和電話網絡，將室內環境參數、家用電器運行狀態等信息告知居民，讓居民通過互聯網及時了解家中情況，從而遠程監控家用電器，實現家內外信息的傳輸。

5.2無線數據傳輸技術

（1）紅外通信技術。紅外通信技術主要利用紅外線進行點對點的短距離通信，其優點是干擾小，且數據傳輸速率為1Gbps。紅外通信技術不需要物理連接，但由于紅外線的直連特性，紅外通信技術通常存在距離短、傳輸方向強、對遮蔽物要求高等缺點。僅在智能家居中使用這項技術并不能滿足信息傳輸的要求，但可以用來控制一些家用電器（如電視、電腦等）。

（2）藍牙技術。藍牙技術是一種無線技術標準，可以實現固定設備、移動設備和樓宇個人區域網之間的短距離數據交換，主要用于便攜式設備與其外設之間建立通信。藍牙技術進一步將通信技術與計算機技術相結合，為移動設備和固定設備之間的通信提供了一個有效的空中接口，可以在短距離內相互通信。藍牙技術采用短包和快速跳頻技術，首先可以通過分散的網絡結構有效支持點對點的通信，從而克服數據同步的問題。工作頻段為2.4GHzISM頻段，傳輸速率為1Mbps，傳輸距離一般為10～100m。

（3）ZigBee技術。ZigBee技術是藍牙技術的延伸[3]，在ZigBee技術加持下，一臺主設備可以連接255臺設備，組網規模大，可以支持智能家居中大量設備的接入。ZigBee技術的工作頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美洲）。其中，2.4GHz頻段的通信速率為10～250kbit/s，通信距離為10～100m。ZigBee技術因其低功耗和高可靠性而適用于智能家居。

（4）無線網絡（Wi?Fi）技術。無線網絡技術是一種允許電子設備連接無線局域網的技術。連接無線局域網通常需要密碼保護，但也可以是開放的，這樣WLAN范圍內的任何設備都可以進行連接。雖然Wi?Fi技術的通信質量較差，但其傳輸速度高達54Mbps。由于Wi?Fi技術在通信速度

6基于無線傳感器網絡的智能家居系統設計

6.1系統架構設計

從系統架構來看，智能家居系統采用無線傳感器網絡設計，由傳感器網絡、傳輸網絡和應用網絡組成。其中，傳感器網絡是系統使用的無線傳感器網絡，其可以完成家庭環境中多個硬件節點的設置，并利用無線鏈路構建自組織網絡;傳輸網絡是由外網和家庭網關組成的網絡，其通過網關與傳感器節點進行連接，并采用無線連接方式。當與互聯網、移動通信網絡等外部網絡進行連接時，系統將采用有線和無線通信方式，能夠自動完成通信協議的轉換，保證數據信息按順序傳輸。借助該網絡，用戶還可以查詢家庭設備信息或給出操作控制指令。此外，該系統還配備了應用網絡，應用網絡包含許多終端設備，用戶可以使用外部網絡讀取家庭信息并根據信息控制家庭設備。

在實際的系統架構建設中，應采用ZigBee技術作為系統的無線通信技術。與其他技術相比，ZigBee技術采用的局域網協議功耗更低，可以實現數據的短距離無線通信，同時，ZigBee技術工作在2.4GHz和868/928MHz頻段，可以保證數據傳輸的可靠性，為ad?hoc網絡的構建提供支持。

網關則是系統的核心結構，其應該有各種接口，如ZigBee網絡接口、以太網接口、Wi?Fi接口等，以此連接各種網絡，實現與家庭內網和外網的通信。此外，利用ZigBee協議作為傳感器節點之間的通信協議，也可以構建無線多跳網絡，使節點數據可以在網關節點進行匯聚。

6.2系統硬件設計

在系統硬件設計方面，首先需要分散部署家庭環境中的多個傳感器。這些傳感器可以分為兩類：一類是傳感設備;另一類是控制設備。其中，穿透裝置是簡單的傳感器，如溫度傳感器和濕度傳感器。被控設備由傳感器和繼電器組成，可以根據用戶指令控制家用設備。在此基礎上，還要做好家庭網關和無線傳感器網絡的設計，保證家庭信息的順利采集。

在家庭網關設計方面，可以采用S3C2440作為硬件平臺。S3C2440是一款采用ARM92OT內核的嵌入式微處理器，可應用于低功耗、高性價比的設備。通過串口，網關核心板可以與家庭網絡進行連接。當連接外部網絡時，網關既可以使用Wi?Fi模塊連接互聯網，也可以通過PC電纜連接外部網絡。

在無線傳感器網絡設計方面，紫蜂無線網絡應該由紫蜂協調節點和紫蜂終端組成。其中，終端由多個傳感器節點和ZigBee模塊組成，可以完成信息數據的采集。此外，在定時器的加持下，每個傳感器節點都可以在固定時間收集數據，并通過無線通信單元將數據傳輸到協調節點。在傳感器節點和通信單元之間，有一個由中央處理器和嵌入式操作系統組成的處理單元，該系統的無線通信單元由發射模塊和接收模塊組成。而從協調節點的組成來看，該節點擁有一個ZigBee模塊———由無線通信模塊、串行收發模塊、微處理器模塊和電源模塊組成，可以接收終端節點信息和網關指令。

6.3系統軟件設計

在系統軟件設計方面，可以采用嵌入式Linux作為軟件開發平臺，以此設計系統Web服務器。利用服務器上的CGI程序和網頁，則可以完成家庭內部網絡與外部網絡的連接，實現用戶與網頁的交互。而有了瀏覽器，用戶可以發送控制指令。服務器收到用戶數據后，會對數據進行分析，然后將分析后的指令發送到家中的內部節點，實現對家居設備的遠程控制和管理。無線傳感器節點是網絡中的普通節點，需要完成參數采集和設備控制任務。協調節點應接收網絡集群中心節點發送的數據，并將數據傳輸到服務器，然后使用集群節點發送指令。

在智能家居系統軟件設計方面，也要做好監控軟件和遠程控制軟件的設計。在監控軟件設計中，需要利用監控模塊對家居信息進行智能檢測，并通過無線網絡向指定號碼發送消息，通過電子郵件向用戶發送直播畫面。此外，在遠程控制軟件的設計中，需要完成家庭安防系統和家庭遠程控制系統的設計。其中，安防系統具有防盜、防燃氣泄漏等功能，能夠準確監測火災等安全信號并自動報警。遠程控制軟件可以根據家電的運行信息對家電進行控制，保證家電正常工作。目前，該系統可實現家電運行、閉路電視監控、照明控制、水電抄表控制、多媒體控制等多種控制功能[5]。

7結語

研究發現，利用無線傳感器網絡進行智能家居系統的設計，可以完成更加實用的系統設計，從而滿足現代家居的多樣化、個性化需求。該系統可以起到家庭照明控制、家電運行控制和環境監測的作用。此外，該系統的功耗和成本也較低，通用性較強，可與各種家用電器進行連接。目前，市面上大部分智能家居都是有線的，而本文則提出將無線傳感器網絡系統應用于智能家居系統，并對其總體結構、工作原理、硬件和軟件進行了設計和闡述。最后，通過仿真測試，取得了良好的應用效果，希望可以為智能家居的發展提供參考。