基于LTE网络的智能家居控制系统的设计与分析

薛飞

（江苏省扬州技师学院，江苏 扬州 225003）

[摘 要] 随着通信技术的发展，4G网络已经商用，而依赖于LTE制式的高传输带宽，借助短距离通信协议形成无线传感器网络（WSN），可以设计与制作一个安全可靠的实时智能家居控制系统。重点研究控制系统的总体结构、基本组成、硬件模块的设计方法等，并对该系统的工程应用进行论证与分析。

[关 键 词] 无线传感器网络；LTE；WSN

[中图分类号] TS63 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）03-0186-01

2016年5月至6月，笔者在前往德国德累斯顿工业大学培训期间，参观了德国的KBA与大众集团两家公司的智能化生产车间与FMS实验室。通过参观与调研，我们了解到：目前，欧洲主流的制造业企业正在大力推广将WSN与工业控制技术相融合，实现自动化生产流水线的智能化、集成化与柔性化。受上述启发，参照现有智能家居控制系统所存在的问题，本课题以一种新型智能家居控制系统的解决方案为实现目标，设计并分析如何将ZigBee、WSN与LTE三网络相融合以实现无线通信和智能控制。

一、总体方案设计与分析

（一）CPU型号的选择

采用TI公司的MSP430F149单片机作为该控制系统的CPU。单片机作为该系统的控制核心，在实现控制功能的基础上，具有结构简单、扩展容易、成本较低等优势，便于实现多网融合的控制解决方案。

（二）室分通信系统的选择

综合考虑移动性、有效性及延展性，采用ZigBee作为室内分布通信系统的传输制式，即以ZigBee作为构成WSN的基础。虽然超宽带、蓝牙及WIFI的数据传输速率都比ZigBee高，但是ZigBee制式在传输距离与能量消耗等诸多参数方面均占据着绝对的优势。以ZigBee制式构建的无线传感器网络被业界公认为是合理和适用的。目前，传感器技术的研究得到了快速发展，其应用范围也非常广泛。但是，只有将传感器技术与无线网络技术融合在一起，构成适用的WSN系统，才能最大限度地发挥通信技术与传感器技术强大的功能。

（三）广域通信制式的选择

目前，我国三大运营商均已经开始大规模地推广与商用4G-LTE制式，LTE（Long Term Evolution）是第四代通信协议制式中的一种，较目前主流的3G通信制式而言，LTE制式引入了OFDM（正交频分复用技术）和MIMO（多輸入、多输出技术）等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据上下行的吞吐量，并且其支持多种带宽分配且能与无线通信制式频段良好融合。以上这些特点均为实现广域通信制式与WSN网络的融合提供了技术与结构基础。

目前，国内已经有较为成熟的基于ZigBee的实现WSN与GSM的融合设计方案与产品解决方案。但随着4G-LTE的商用，LTE相比GSM制式，在频谱效率与数据传输速率方面有着明显的优势，LTE协议网络架构取消CS域，加宽PS域带宽，所以在简化系统结构、减小系统时延的基础上，可以大大提升整体网络的带宽，更好地进行实时操作，并且LTE系统能够更好地支持与其他通信制式的互操作。

二、硬件系统的具体设计与分析

（一）设计方案

本文提出并设计一种新型的基于4G-LTE网络制式的实时监控智能控制系统。该系统采用单片机作为核心控制系统、通过无线传感器检测网络以及4G通信模块的实时通信，传感器网络有效采集各个节点的监控信号并及时反馈给控制系统，LTE通信模块执行发送语音信息给设定服务中心或用户终端，从而建立远程通信链路，依托于4G网络制式高带宽的支持，该链路可以实时提供现场视频或图像信号的传递，更好、更优地实现智能家居的实时监控功能。本文设计的新型智能家居控制系统具有实时性好、可靠性高、交互性优、通用性和实用性强等特点，具有广阔的应用前景。

（二）系统的硬件电路设计

网关模块由CPU、TFT触摸屏、LTE模块、CC1000模块和报警电路组成，是整个系统的核心，起到协调其他模块、处理和分析数据等功能。为了延长传输距离、提高传输的可靠性，在本系统中加入中继节点，以此提高这个系统的可靠性。中继节点由MSP430F149和CC1000组成。通过测试发现，加了中继节点之后，传输距离增加了15 m，系统误码率降低了50%。作为本套系统的核心模块，MSP430F149被广泛使用。为此，单独设计MSP430最小系统，使这个系统具有很好的可移植性和扩展性。

三、结束语

本文提出并设计一种新型的基于4G-LTE网络制式，与基于ZigBee的WSN网络技术相融合的新型智能家居控制系统。该系统采用了模块化的设计方式，具有实时性好、可靠性高、交互性优、通用性和实用性强等特点，具有广阔的应用前景。本课题研究的后续延伸是探索将WSN与工业控制技术相融合，实现自动化生产流水线的智能化、集成化与柔性化。

参考文献：

[1]任华，王铮，罗俊，等.移动互联网环境下的LTE业务需求及业务网络演进分析[J].电信科学，2013（2）：24-30.

[2]姜备.基于LTEMR的移动网络优化研究[D].上海师范大学，2016.

[3]付磊鑫.面向4G-LTE网络的多媒体企业网关的设计与实现[D].内蒙古大学，2016.