基于无线传感器网络的智能家居系统的开发策略

　　1 前言

　　无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，每一个微型节点通过短距离无线通信方式与其他节点进行通信，最终形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络最初应用于军用侦察、环境探测等方面，但是目前随着嵌入式技术的进步，目前无线传感器网络可使用的范围也越来越广泛。

　　智能家居系统可以划分为外网、网关和内网3个部分。外网可以是小区局域网、有线电视网、电话网和Internet等，大多采用比较成熟的技术。内网则是用于互连家庭内部各种家电、设备的局域网，由于所连接的设备千差万别，其组网形式也表现出很大的多样性。家庭内网根据其功能大体上分为3类：用于实现控制功能的控制网络，用于交换数据信息的数据网络和用于传输音频和视频的多媒体网络。家庭网关是连接家庭内网和外网的网络连接设备，将内网接入外网，为外网提供对家庭内部联网设备的控制功能;同时家庭网关允许家庭内部可以采用不同的联网技术，利用网关为不同的通信子网提供桥接的能力，使各子网内的联网设备之间可以相互通信。

　　随着无线传感器技术的发展，人们将更多的注意力放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，从而出现了智能家居的概念。智能家居控制系统使人们可以对家居内的任意电器进行数字化控制，利用计算机技术、网络通讯技术将与家居生活有关的各种设备有机地结合在一起，进行集中管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。

　　智能家居系统重点考虑的是家庭内部通信网络，主要包括智能家居网关和家庭智能传感器节点2个部分。智能家居网关是家庭资源管理和配置中心，完成家庭组网和节点控制等功能。智能家居的网关通过组网技术连接家庭网络中各传感器开关节点，通过标准的通信协议对内实现智能家居内部网络的管理和控制，对外作为家庭网络和外部网络的信息的交互接口。智能家居能实现的各种功能，如：家庭监控、内外信息交互、能源管理、家庭安防、场景设置等都离不开智能家居网关的支持，许多功能都是基于智能家居网关而实现的。该技术也广泛应用到了军事、太空探索、智能家居、农业、医疗等领域。在伴随着“信息时代”的到来，作为获取信息的重要手段——传感器技术得到飞速发展，其应用领域越来越广，人们对其要求越来越高，需求也越来越迫切。但传感器技术的广泛应用以及飞速发展并不代表着该技术已经成熟，相反在很多方面它还是一项新兴的技术，依然存在着很多问题等待我们去解决。如何能够让我们的传感器装置很快的适应周围的环境，迅速准确的处理传输客户所需求的信号，并可以根据客户的要求作出相应的反应以及如何可以尽量的延长传感器装置的生存时间等等。这些问题都是我们在研究传感器技术的过程中所应该解决的问题。

　　2 无线传感器网络

　　(1)无线传感器网络(Wireless Sensor Networks WSNs)是由众多传感器节点构成的无线网络。其目的是感知、采集和转发网络覆盖的感知对象的各种信息，并发送给观测者。传感器节点、感知对象和观测者是无线传感器网络的3个组成部分：无线网络是传感器之间、传感器节点与观测者之间的通信基础，用于在传感器与观测者之间建立通信路径;感知、采集、处理、发送感知信息是传感器网络的基本功能。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的分布形状也会随着节点的移动而不断地动态变化。传感器节点由电源、传感器元器件、处理器CPU、存储器、通信部件和软件几部分构成。

　　(2)网络体系结构。网络体系结构由传感器节点，数据收集器和管理单元组成。传感器节点负责数据的采集和节点间信息的传送;数据收集器负责通过中继方式传送数据和指令;管理节点是对所采集的数据进行处理并发布新的任务。

　　(3)智能家居网关是整个系统的核心，主要负责与系统中的各模块协同工作。通过单片机及模块中的各接口实现对整个系统的调度。该模块既可响应来自外部的电话及互联网络的控制请求指令，通过对指令的解释，传输相应的状态信息或控制调度各模块动作，也可响应家居内部的安防报警请求，并通过电话模块向用户发送报警信息。硬件部分包括CPU基本系统、以太网接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系统包括电源、复位、Flash、内存等电路。

　　(4)系统上电后，对各模块进行初始化操作，其主要功能包括水、电、气3表的数据采集和存储、报警信息的获取、设[第一论文网(www. ) 专业提供论文写作和发表的服务,欢迎光临]防撤防状态的获取和以上信息数据的无线发送。主控模块处于待机状态，以中断方式随时响应来自网络通信模块、电话语音模块及安防报警 3方面的请求，其中的网络通信模块工作在服务模式下，侦听来自互联网的远程控制请求。对于电话的连接请求，在核实用户身份后，通过语音提示模块引导用户完成电话的按键指令操作，控制相关模块动作，并以语音提示信息的方式向电话用户回送相关信息;对于安防报警方面的请求，主控模块则以用户事先设定的电话号码拔通用户电话并以语音提示的方式向用户发出报警。数据的无线发送和接收要遵守家庭网关通信协议。

　　(5)网络协议。物理层处于最底层，是整个开放系统的基础，提供信号调制和信号的无线接收和发送技术;数据链路层要为终端设备间的数据通信提供传输媒介及其连接。主要责任是让数据成帧，帧检测，媒体访问和差错控制;网络层主要完成路由的生成和选择;为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，控制数据流的传输，保证通信服务质量;应用层是开放系统的最高层，直接为应用程序提供服务的，包括一系列基于监测任务的应用层软件;能量管理平台主要管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能源;移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置;任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

　　3 家用电器和网络节点

　　在智能家居中我们实现的是对家用电器的智能化，就是通过嵌入电器中的控制节点来实现这些功能，但是家用电器根据其功能和作用可以分为智能家电和非智能家电。智能家电就像空调，它可以在温度达到其设定的温度是转换为睡眠状态。非智能家电就像电视，我们不仅仅实现开关机，还要加入一些复杂的指令来实现选台等一些别的功能。因此我们把节点分为简单的控制节点和复杂的控制节点两类。简单的控制节点就是实现开关功能，复杂的控制节点不仅要实现开关功能，还要实现电器的一些复杂功能。区别了简单的控制节点和复杂的控制节点，可以减少成本和提高网络的效率。

　　(1)网络结构。无线传感器提供两种网络结构：星型网络结构和点对点网络结构。在家庭网络中，我们是通过网络协调器来实现家用电器的控制，所以我们主体上是选用星型网络结构，但是在一些家电中，由于它们之间的特殊关系，像电视机和录像机，因为如果人在户外又想回到家里就可以看到错过的比赛或新闻，这时就需要用录像机把比赛或新闻的情况录下来，这个时候电视机和录像机之间就有一种必然的联系，因此我们就在一些这样的家电中采用点对点的网络控制，这个节点开启了，不再发别的指令去开启录像机，通过电视的节点就可以控制录像机中的节点。

　　(2)网络组成。完整的智能家居系统包括：网关是实现家庭网络和外网的连接口，这样我们可以通过INTERNET来对家庭网络中的网络协调器进行指令传输。GPRS系统，有了该系统我们可以通过移动通信网络用手机实时的对家庭网络进行监控。网络协调器，实现对嵌入在家用电器中的控制节点进行指令控制，从而实现对家用电器的远程无线控制，同时它还需要多种通讯协议转换功能。

　　4 分析与测试

　　基于无线传感器网络的智能家居系统的测试分为三个部分。第一，硬件可靠性测试。由于各个从节点的工作环境不同，因此主要针对各个从节点的硬件进行全面测试。主要包括ESD、高低温、阳光直晒、跌落等各项测试。第二，[第一论文网(www. ) 专业提供论文写作和发表的服务,欢迎光临]软件可靠性测试。测试方法主要是进行各模块功能测试。测试方法为等价值划分法、边界值测量法和场景法。测试步骤主要是使用等价值划分法来划分测试模块边界，然后使用边界值测量法来对边界进行检验，最后使用场景法模拟用户使用来测试实际功能。测试结果显示各模块工作良好，对用户操作的响应及时，界面友好。第三，无线网络的抗干扰测试。本系统的设计基于无线传感器网络的智能家居系统的设计与实现目标是家用系统，主要测试方法是在系统正常工作后， 同时运行一些常见的2.4G 无线设备进行同时工作，观察本系统的工作状况。主要测试设备是WIFI和蓝牙系统。结果表明在同时使用WIFI和蓝牙的环境下，系统工作良好，并没有受到任何干扰，显示出良好的无线抗干扰性能。

　　5 结语

　　以上分析与测试表明，基于无线传感器网络的智能家居系统使用方便，界面友好，扩展性与可靠性较强，对于想要提高生活质量，提升家居管理方式的应用场合，具有很高的使用价值。

　　参考文献：

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