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無線傳感器技術在智能家居系統的應用
作者：程海英; 陳勇
來源：中國儀器儀表
日期：2010-12-15 15:24:45
摘要：近年來無線網絡技術取得了突飛猛進的發展，從人工操作的無線電報網絡到使用擴頻技術的自動化無線局域網絡。
1 引言
智能家居是利用計算機技術、控制技術、圖像顯示技術以及通信技術將各種設施通過網絡連接到一起，從而滿足整個系統的自動化要求，能夠提供更便捷的控制和管理。傳統的智能家居實現一般是通過有線線路的布線方式對樓宇設施進行控制和通信，很難脫離各種線纜的束縛、安裝成本較高，而且系統的擴展性也很差。基于無線傳感器網絡技術的智能家居系統不僅可以擺脫線纜的束縛、降低安裝成本，而且系統的擴展性也有了大幅度的提高。
2 智能家居系統概述
智能家居系統可以劃分為外網、網關和內網3個部分。外網可以是小區局域網、有線電視網、電話網和Internet等，大多采用比較成熟的技術。內網則是用于互連家庭內部各種家電、設備的局域網，由于所連接的設備千差萬別，其組網形式也表現出很大的多樣性。家庭內網根據其功能大體上分為3類：用于實現控制功能的控制網絡，用于交換數據信息的數據網絡和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網絡。家庭網關是連接家庭內網和外網的網絡連接設備，將內網接入外網，為外網提供對家庭內部聯網設備的控制功能；同時家庭網關允許家庭內部可以采用不同的聯網技術，利用網關為不同的通信子網提供橋接的能力，使各子網內的聯網設備之間可以相互通信。智能家居系統總體結構框圖如圖1所示。
（2）安全防護：包括小區周邊防護、家庭可視對講、門禁控制、防盜報警、防火災、防燃氣泄漏，水溢漏等）。
（3）高速信息接入：Internet、視頻電話、小區局域網等通過網關進入家庭。
（4）小區服務：小區管理中心可以對轄區內設備、環境實施監控和管理。
智能家居系統重點考慮的是家庭內部通信網絡，主要包括智能家居網關和家庭智能傳感器節點2個部分。智能家居網關是家庭資源管理和配置中心，完成家庭組網和節點控制等功能。智能家居的網關通過組網技術連接家庭網絡中各傳感器開關節點，通過標準的通信協議對內實現智能家居內部網絡的管理和控制，對外作為家庭網絡和外部網絡的信息的交互接口。智能家居能實現的各種功能，如：家庭監控、內外信息交互、能源管理、家庭安防、場景設置等都離不開智能家居網關的支持，許多功能都是基于智能家居網關而實現的。
3 智能家居的關鍵技術
智能家居中的關鍵技術是網絡通信技術，網絡通信的可靠性決定了整個智能家居系統的穩定性。智能家居中的通信方式大致分為有線和無線2種。有線方式有電力線載波(PLC)、以太網和有線局域網等。
無線方式可分為兩大類:一是基于蜂窩的接入技術，如蜂窩數字分組數據(CDPD)，通用分組無線傳輸技術(GPRS)，EDGE等；二是基于局域網的技術，如ZigBee、IEEE802.11W LAN、藍牙（Bluetooth）、紅外通信技術、Wi-Fi和超寬帶(UWB)技術等。無線方式的優點在于無需布線，大大降低了施工難度。
（1）無線傳感器技術的概念
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks WSNs)是由眾多傳感器節點構成的無線網絡。其目的是感知、采集和轉發網絡覆蓋的感知對象的各種信息，并發送給觀測者。傳感器節點、感知對象和觀測者是無線傳感器網絡的3個組成部分：無線網絡是傳感器之間、傳感器節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、發送感知信息是傳感器網絡的基本功能。傳感器網絡中的部分或全部節點可以移動。傳感器網絡的分布形狀也會隨著節點的移動而不斷地動態變化。傳感器節點由電源、傳感器元器件、處理器CPU、存儲器、通信部件和軟件幾部分構成。
與傳統的數據采集技術相比，無線傳感器網絡系統的優勢主要體現在：感知范圍擴大、容錯性能提高、測量的準確性提高、成本降低，此外，由于無線傳感器網絡具有很高的智能性，部署方便，可以長期在無人干預的環境中自主工作。大大降低了使用和維護的成本。
（2）無線傳感器技術的特點
近年來無線網絡技術取得了突飛猛進的發展，從人工操作的無線電報網絡到使用擴頻技術的自動化無線局域網絡。無線網絡的應用領域隨著技術的進步不斷地擴展。目前主流的無線網絡技術如：IEEE8O2.11、IEEE802.15.3(Bluetooth)、IEEE802.15.4(ZigBee)都是為了數據傳輸而設計的。
無線傳感器網絡的主要特點如下：
規模大：傳感器網絡可能包含多達成千上萬個節點。
高冗余：為了保證網絡的可用性和生存能力，傳感器網絡通常具有較高的節點和網絡鏈路冗余，以及采集的數據冗余。
拓撲易變化：除了節點移動帶來的網絡拓撲變化外，傳感器節點的功率控制和剩余電量下降等因素也會導致網絡拓撲變化。另外，根據應用需要，網絡中有些節點可能進入休眠狀態，從而引起工作節點在數目和分布上的變化，導致拓撲改變。
專用：傳感器網絡是針對某種數據采集需求而專門建立的。
空間位置尋址：用戶往往不關心數據采集于哪一個節點，而關心數據所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式，而不必采用Internet的IP尋址方式。
自組織：網絡的建立和節點間通信不依賴于固定的通信基礎設施。傳感器節點通過分布式網絡拓撲協議實現組網，網絡能夠自動調整以適應節點的移動、添加和退出、剩余電量和無線傳輸范圍的變化等。
流量不均衡：傳感器網絡流向處理中心的數據量往往遠大于反方向的流量。數據流向處理中心且在處理中心集中，會出現離處理中心越近，節點負載越重的現象。
4 無線傳感器技術的系統實現
（1）系統功能模塊組成
智能家居系統是一種基于單片機的可通過電話、互聯網絡訪問及控制家居設備的控制系統。智能家居網絡控制系統通過數據采集、命令控制模塊和TCP/IP協議模塊實現安全監控網絡化，命令控制分為3種模式:1）電話遠程控制；2）網絡遠程控制；3）現場當機操作。系統結構如圖2所示。
智能家居網關是整個系統的核心，主要負責與系統中的各模塊協同工作。通過單片機及模塊中的各接口實現對整個系統的調度。該模塊既可響應來自外部的電話及互聯網絡的控制請求指令,通過對指令的解釋,傳輸相應的狀態信息或控制調度各模塊動作,也可響應家居內部的安防報警請求,并通過電話模塊向用戶發送報警信息。
硬件部分包括CPU基本系統、以太網接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系統包括電源、復位、Flash、內存等電路。系統硬件結構如圖3所示。
電源：系統采用樓宇自動化的標準12V/5V直流電源，用DC-DC轉換器完成5~3.3V和5~1.8V的轉換，給CPU和外圍器件提供電源。
復位電路和時鐘電路：時鐘電路為微處理器及其他電路提供工作時鐘，是系統必須的重要電路。復位電路主要完成系統的上電復位和系統在運行時用戶的按鍵復位功能，系統采用較簡單的RC復位電路。
Flash存儲器接口電路：Flash存儲器在系統中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統掉電后需要保存的數據等。Flash接口電路是最小系統設計中至關重要的電路。常用的Flash存儲器為8bit/16bit數據寬度，工作電壓一般為3.3V，主要生產廠商為Intel、Atmel、Hyundai等。
S D R A M接口電路：與F l a s h存儲器相比較，S D R A M雖然不具有掉電保持數據的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，并且具有讀/寫屬性，SDR A M在系統中主要用作程序的運行空間、數據及堆棧區。
液晶顯示：液晶選用SHARP公司的HR-TFT，型號是LQ035Q7DB02。該液晶模塊是TFT型液晶，260K真彩顯示。模塊包括觸摸屏接口，背光采用白色LED背光，典型驅動電壓是21.6VDC。
電話遙控：用戶可以用手機或電話遙控家電的開關，從而實現遠程家庭遙控管理。系統首先利用解碼芯片對DTMF信號進行解碼，然后由MPC850對解碼進行譯碼，并根據譯碼發出相應的控制信號，驅動被控電路，實現對家電的控制和電話控制等。
（3）系統軟件設計
系統軟件部分主要由家庭網絡終端程序組成。
系統上電后，對各模塊進行初始化操作，其主要功能包括水、電、氣3表的數據采集和存儲、報警信息的獲取、設防撤防狀態的獲取和以上信息數據的無線發送。主控模塊處于待機狀態，以中斷方式隨時響應來自網絡通信模塊、電話語音模塊及安防報警3方面的請求，其中的網絡通信模塊工作在服務模式下，偵聽來自互聯網的遠程控制請求。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出報警。數據的無線發送和接收要遵守家庭網關通信協議。
5 結束語
隨著計算機技術、控制技術、圖像顯示技術、通信技術的不斷發展，通過現有的因特網和PSTN實現遠程控制越來越普遍，組建基于無線傳感器網絡技術的智能家居系統，可以滿足低成本、低功耗、易操作、易安裝、易擴充的設計思路，并且系統安裝方便，適用范圍廣，具有很好的實用價值。
智能家居是利用計算機技術、控制技術、圖像顯示技術以及通信技術將各種設施通過網絡連接到一起，從而滿足整個系統的自動化要求，能夠提供更便捷的控制和管理。傳統的智能家居實現一般是通過有線線路的布線方式對樓宇設施進行控制和通信，很難脫離各種線纜的束縛、安裝成本較高，而且系統的擴展性也很差。基于無線傳感器網絡技術的智能家居系統不僅可以擺脫線纜的束縛、降低安裝成本，而且系統的擴展性也有了大幅度的提高。
2 智能家居系統概述
智能家居系統可以劃分為外網、網關和內網3個部分。外網可以是小區局域網、有線電視網、電話網和Internet等，大多采用比較成熟的技術。內網則是用于互連家庭內部各種家電、設備的局域網，由于所連接的設備千差萬別，其組網形式也表現出很大的多樣性。家庭內網根據其功能大體上分為3類：用于實現控制功能的控制網絡，用于交換數據信息的數據網絡和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網絡。家庭網關是連接家庭內網和外網的網絡連接設備，將內網接入外網，為外網提供對家庭內部聯網設備的控制功能；同時家庭網關允許家庭內部可以采用不同的聯網技術，利用網關為不同的通信子網提供橋接的能力，使各子網內的聯網設備之間可以相互通信。智能家居系統總體結構框圖如圖1所示。
（2）安全防護：包括小區周邊防護、家庭可視對講、門禁控制、防盜報警、防火災、防燃氣泄漏，水溢漏等）。
（3）高速信息接入：Internet、視頻電話、小區局域網等通過網關進入家庭。
（4）小區服務：小區管理中心可以對轄區內設備、環境實施監控和管理。
智能家居系統重點考慮的是家庭內部通信網絡，主要包括智能家居網關和家庭智能傳感器節點2個部分。智能家居網關是家庭資源管理和配置中心，完成家庭組網和節點控制等功能。智能家居的網關通過組網技術連接家庭網絡中各傳感器開關節點，通過標準的通信協議對內實現智能家居內部網絡的管理和控制，對外作為家庭網絡和外部網絡的信息的交互接口。智能家居能實現的各種功能，如：家庭監控、內外信息交互、能源管理、家庭安防、場景設置等都離不開智能家居網關的支持，許多功能都是基于智能家居網關而實現的。
3 智能家居的關鍵技術
智能家居中的關鍵技術是網絡通信技術，網絡通信的可靠性決定了整個智能家居系統的穩定性。智能家居中的通信方式大致分為有線和無線2種。有線方式有電力線載波(PLC)、以太網和有線局域網等。
無線方式可分為兩大類:一是基于蜂窩的接入技術，如蜂窩數字分組數據(CDPD)，通用分組無線傳輸技術(GPRS)，EDGE等；二是基于局域網的技術，如ZigBee、IEEE802.11W LAN、藍牙（Bluetooth）、紅外通信技術、Wi-Fi和超寬帶(UWB)技術等。無線方式的優點在于無需布線，大大降低了施工難度。
（1）無線傳感器技術的概念
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks WSNs)是由眾多傳感器節點構成的無線網絡。其目的是感知、采集和轉發網絡覆蓋的感知對象的各種信息，并發送給觀測者。傳感器節點、感知對象和觀測者是無線傳感器網絡的3個組成部分：無線網絡是傳感器之間、傳感器節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、發送感知信息是傳感器網絡的基本功能。傳感器網絡中的部分或全部節點可以移動。傳感器網絡的分布形狀也會隨著節點的移動而不斷地動態變化。傳感器節點由電源、傳感器元器件、處理器CPU、存儲器、通信部件和軟件幾部分構成。
與傳統的數據采集技術相比，無線傳感器網絡系統的優勢主要體現在：感知范圍擴大、容錯性能提高、測量的準確性提高、成本降低，此外，由于無線傳感器網絡具有很高的智能性，部署方便，可以長期在無人干預的環境中自主工作。大大降低了使用和維護的成本。
（2）無線傳感器技術的特點
近年來無線網絡技術取得了突飛猛進的發展，從人工操作的無線電報網絡到使用擴頻技術的自動化無線局域網絡。無線網絡的應用領域隨著技術的進步不斷地擴展。目前主流的無線網絡技術如：IEEE8O2.11、IEEE802.15.3(Bluetooth)、IEEE802.15.4(ZigBee)都是為了數據傳輸而設計的。
無線傳感器網絡的主要特點如下：
規模大：傳感器網絡可能包含多達成千上萬個節點。
高冗余：為了保證網絡的可用性和生存能力，傳感器網絡通常具有較高的節點和網絡鏈路冗余，以及采集的數據冗余。
拓撲易變化：除了節點移動帶來的網絡拓撲變化外，傳感器節點的功率控制和剩余電量下降等因素也會導致網絡拓撲變化。另外，根據應用需要，網絡中有些節點可能進入休眠狀態，從而引起工作節點在數目和分布上的變化，導致拓撲改變。
專用：傳感器網絡是針對某種數據采集需求而專門建立的。
空間位置尋址：用戶往往不關心數據采集于哪一個節點，而關心數據所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式，而不必采用Internet的IP尋址方式。
自組織：網絡的建立和節點間通信不依賴于固定的通信基礎設施。傳感器節點通過分布式網絡拓撲協議實現組網，網絡能夠自動調整以適應節點的移動、添加和退出、剩余電量和無線傳輸范圍的變化等。
流量不均衡：傳感器網絡流向處理中心的數據量往往遠大于反方向的流量。數據流向處理中心且在處理中心集中，會出現離處理中心越近，節點負載越重的現象。
4 無線傳感器技術的系統實現
（1）系統功能模塊組成
智能家居系統是一種基于單片機的可通過電話、互聯網絡訪問及控制家居設備的控制系統。智能家居網絡控制系統通過數據采集、命令控制模塊和TCP/IP協議模塊實現安全監控網絡化，命令控制分為3種模式:1）電話遠程控制；2）網絡遠程控制；3）現場當機操作。系統結構如圖2所示。
智能家居網關是整個系統的核心，主要負責與系統中的各模塊協同工作。通過單片機及模塊中的各接口實現對整個系統的調度。該模塊既可響應來自外部的電話及互聯網絡的控制請求指令,通過對指令的解釋,傳輸相應的狀態信息或控制調度各模塊動作,也可響應家居內部的安防報警請求,并通過電話模塊向用戶發送報警信息。
硬件部分包括CPU基本系統、以太網接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系統包括電源、復位、Flash、內存等電路。系統硬件結構如圖3所示。
電源：系統采用樓宇自動化的標準12V/5V直流電源，用DC-DC轉換器完成5~3.3V和5~1.8V的轉換，給CPU和外圍器件提供電源。
復位電路和時鐘電路：時鐘電路為微處理器及其他電路提供工作時鐘，是系統必須的重要電路。復位電路主要完成系統的上電復位和系統在運行時用戶的按鍵復位功能，系統采用較簡單的RC復位電路。
Flash存儲器接口電路：Flash存儲器在系統中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統掉電后需要保存的數據等。Flash接口電路是最小系統設計中至關重要的電路。常用的Flash存儲器為8bit/16bit數據寬度，工作電壓一般為3.3V，主要生產廠商為Intel、Atmel、Hyundai等。
S D R A M接口電路：與F l a s h存儲器相比較，S D R A M雖然不具有掉電保持數據的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，并且具有讀/寫屬性，SDR A M在系統中主要用作程序的運行空間、數據及堆棧區。
液晶顯示：液晶選用SHARP公司的HR-TFT，型號是LQ035Q7DB02。該液晶模塊是TFT型液晶，260K真彩顯示。模塊包括觸摸屏接口，背光采用白色LED背光，典型驅動電壓是21.6VDC。
電話遙控：用戶可以用手機或電話遙控家電的開關，從而實現遠程家庭遙控管理。系統首先利用解碼芯片對DTMF信號進行解碼，然后由MPC850對解碼進行譯碼，并根據譯碼發出相應的控制信號，驅動被控電路，實現對家電的控制和電話控制等。
（3）系統軟件設計
系統軟件部分主要由家庭網絡終端程序組成。
系統上電后，對各模塊進行初始化操作，其主要功能包括水、電、氣3表的數據采集和存儲、報警信息的獲取、設防撤防狀態的獲取和以上信息數據的無線發送。主控模塊處于待機狀態，以中斷方式隨時響應來自網絡通信模塊、電話語音模塊及安防報警3方面的請求，其中的網絡通信模塊工作在服務模式下，偵聽來自互聯網的遠程控制請求。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出報警。數據的無線發送和接收要遵守家庭網關通信協議。
5 結束語
隨著計算機技術、控制技術、圖像顯示技術、通信技術的不斷發展，通過現有的因特網和PSTN實現遠程控制越來越普遍，組建基于無線傳感器網絡技術的智能家居系統，可以滿足低成本、低功耗、易操作、易安裝、易擴充的設計思路，并且系統安裝方便，適用范圍廣，具有很好的實用價值。
