基于无线传感器网络的智能家居系统设计与实现

郑 洁，袁林江

（浙江工业大学之江学院，浙江 绍兴 312030）

0 引 言

智能家居系统中最为重要的设计初衷之一，就是给现实生活中的家庭创造出更加便捷、现代化的生活环境以及工作环境。但是以往的智能家居环境控制系统一般都要有布线环节，而布线过程往往较为繁杂，也会较大幅度地增加成本。因此，基于无线多点传感器网络的技术应运而生。通过这一技术可以使得传统工作实现设计和部署更加简单化，还可以降低整个系统所需的成本。

1 概 述

智能家居系统，其特点是充分地利用先进的计算机技术、无线传感器网络等多种现代化的技术，把各种各样的智能家居设备连接起来，以此给人们创造出更加方便、适宜的智能家居方式。目前，采用的较为传统的智能家居环境控制传感器系统一般都是采用有线控制这一基本方式，但整个系统的安装过程以及后期的保养维护需要的成本往往都比较高，而且固定之后移动应用的可能性较小。将无线传感器网络这一先进的技术引入并应用到智能家居中，能够对智能家居环境的整体状况进行检测并实现自动化的控制，建立基于无线传感器网络技术的智能家居系统［1］。

2 国内智能家居现状与存在的问题

目前，我国已经掌握智能家居这一系统设计的技术，并且这一技术也呈现出较为快速的发展趋势。但是从整体情况上来看，一方面国内的智能家居系统产业仍然处于一个快速起步的阶段，智能家居系统产品的主要生产厂家并不是以生产和经营智能家居为主，而且还尚且未完全达到一个规模化的生产水平。另一方面，由于我国的无线传感器网络技术正处于快速进步的进程中，所以使得某些住宅开发商开始着手于规划和建设出更具经济效益的智能化家居建筑。例如，在一些比较高端的生活住宅小区内，其内部的控制以及管理工作都是以智能化为主，是商业住宅智能化家居的具体体现。

目前，我国中高端智能家居的市场正在保持稳步发展，但还是存在一些亟待解决的关键技术问题，总结分析如下。

（1）行业标准尚未完全形成。目前，由于我国存在多个高端智能家居的生产厂家，所以其生产出的产品也是存在多样性，使得高端智能家居并不能具有良好的兼容性。相关部门对于智能家居系统的开发存在一定程度的理解偏差，会出现难以整合行业标准的问题，从而给国产产品的推广及应用带来很大的阻力。

（2）产品不能满足用户的需求。通常，家居用户往往更关注产品具有的实用功能，但是在众多功能中某些特殊功能是家居用户短期内不需要使用的功能，说明存在功能冗余的情况；同时，在当前已有的产品中，大多数产品的使用过程过于繁杂，并未体现出实用化、人性化的应用特点［2］。

（3）售后支持有待提高。从智能家居的设计上看，该系统是一个极为复杂的使用系统，虽然集成了很多不同的技术手段，但是在实际应用的过程中，如果采用不合理的使用方式，很可能会造成因系统损坏而无法使用的情况。此外，该系统的维修过程通常比较麻烦，因此需要厂家能够为用户提高其售后服务质量，并加快建设售后的保障体系。

（4）网络安全需要高度重视。由于智能家居设备通常都是通过物联网实现对家居的远程控制操作，因此如果物联网网络存在安全隐患，就会导致智能家居系统也会出现安全风险。这是企业应当高度重视的问题。

3 基于无线传感器网络的智能家居系统设计原则与结构

3.1 设计原则

通过将智能家居系统与无线传感器网络紧密地结合起来，可以大大地增强整个系统的功能完善性以及整个系统的智能性。首先，要非常注重智能家居系统在整体上所采用的设计技术的可实施性以及所设计系统在将来应用过程当中的实用性，要能够确保按照整个设计方案正常、顺利地进行。其次，基于无线传感器网络这一技术的智能家居系统的实现应当严格地遵循开放性以及科学标准化的设计原则。再次，在当前智能家居的技术发展和应用过程中，系统的设备和标准是一个很大的技术瓶颈，因此在具体的系统设计实施工作中要充分地重视这一点。最后，要加大限度地注重整个系统设计结果的稳定性及可靠性，保证其能够正常地投入到实际应用中［3］。

3.2 设计结构

首先，在整个系统的结构设计工作过程中，应当特别注意如何高效率地通过与无线传感器网络技术相结合达到分析网络规模的目标。第一，网络规模是无线传感器技术的较为重要基础和特点，它的应用可以大幅度地提高传感器信息采集和监测的效率和精度，并且可以减少对单个无线传感器其网络节点的干扰和依赖。第二，系统的协调器体系以及其结构也是无线传感器的重要组成部分，而该体系主要是指采用IPv6协议的无线传感器网络其整体结构，包括有网络协调器、辅助网络协调器以及相对应的终端网络设备等。第三，传感器网络的协调器是整个系统中的一个核心的组成部分。第四，智能家居结构还需要具有较高数据计算能力和数据存储容量的传感器。例如，ZigBee就是具有较高数据计算能力和较大数据存储容量的传感器，其可以检测到在相应网络范围内的所有节点。

其次，无线传感器可以有多种不同的网络结构，其中最为常见的就是混合星型网络结构，由主协调器和其他智能家居设备处理器组成。而拓扑网状结构也是单跳星型网络结构，负责整体的智能家居网络的基础建设和运营管理，在整个智能家居当中处于网络的中心地位。此外，这还是一种基于平等通信原则的网络结构。

4 无线传感器网络的智能家居系统的设计

4.1 需求分析

这一系统的设计初衷是为了在未来的生活当中给消费者提供现代化的生活及居住环境。结合总体设计初衷，本文从家居环境的监测、家庭传感器设备的控制、家居安全、家居节能四个方面详细地分析基于无线传感器网络进行的智能家居系统的设计和这一系统的实际应用需求。

（1）家居环境的监测。对家居环境当中的信息进行监测，这是在生活当中的实际需要，实现家居环境的监测可以促使更多的用户能够详细地获取发生在其所处环境当中的各种与其有关的信息。

（2）家庭设备控制。家庭设备控制能够实现、允许用户可以通过远程控制的模式对其家庭设备进行有需要的操作。

（3）家居安全。家居安全是指能够监控所处环境中所有可以影响家居安全的信息，当出现相关危害情况时，能够及时地通过系统发出相应的报警信息，以最大限度地减小风险，避免带来损失，保障安全。

（4）家居节能。家居节能是能够使用户可以及时地监测并获取家庭环境当中所有使用当中的用电设备的耗电量信息，从而为用户提供家庭节能方面有用的措施和相关的可行建议。

4.2 功能模块分析

（1）家居无线传感器网络。这是整个系统的基础模块，它主要是负责感知家居情况的一些相关信息，通过接收用户的指令来控制与其相关的家居设施。

（2）WEB 服务器。它主要是负责保存用户的家庭环境当中相关的一些参数设置信息。通过浏览器连接到WEB 服务器，可以方便用户查看家庭环境当中的一些实时信息以及历史信息。

（3）用户端。开发者可以直接通过用户端浏览器或者基于移动计算机终端的智能家居应用程序直接访问用户端智能家居的系统。如果需要允许用户端开发者使用APP 进行网络访问，则用户需要自己开发专门的用户端智能家居系统应用程序。

（4）智能家居网关。它是一个核心节点，还通过互联网连接与用户和网络服务器进行通信，向用户和网络服务器发送感知信息，并接收用户的指令。

4.3 系统设计

首先，在基于无线传感器网络的智能家居的整体开发和设计过程中，应当注意网络设备管理控制器的设计和应用，因为该控制器的设计和应用是智能家居系统设计的核心组成部分。其中，网络路由器以及数据的传输网络是整个智能家居系统的关键组成环境，通过合理设计网络路由器和协议配置，可以最大限度地为智能家居系统控制和节省网络流量消耗。此外，在整个系统的具体设计工作过程中，应该注意传感器功能的优化以及完善。例如，需要注意无线传感器的开关控制节点的设置工作，直接模拟网络温度、湿度、光照、烟雾等一系列的信息，从而提高基于无线传感器网络的智能家居设计效率［4］。

其次，在无线网络控制协调器及其节点的设计及应用方面上，应当特别注意无线通信系统的设计和应用。第一，从无线通信系统的设计上看，CC2420总共有2 个缓冲区寄存器可以访问FIFO 缓冲区，即RXFIFO 寄存器和TXTXFIFO 寄存器，而这两种寄存器都是利用混合访问处理器的方式，将数据发送至FIFO 缓冲区。第二，这种无线通信应用程序的功能主要包括处理器系统的初始化、数据包的发送和接收等重要功能。第三，在寄存器发送数据包的设计方面，CC2420 可以将通过TXFIFO 寄存器和缓冲区发送的两个数据包，分别写入混合访问式的TXFIFO 处理器中，以便在处理器在没有需要发送数据时可以激活访问STXON 或激活STXONCCA。第四，在对数据包的接收和缓冲区功能的设计方面，当两个芯片同时处于数据接收状态时，可以将两个数据包在同一时间存储在一个缓冲器当中，并且切换两个PIN 值。

最后，微处理器和缓冲区模块的基本功能设计，也是基于无线传感器网络的智能家居系统设计的重要部分。同时，微处理器和缓冲区模块的基本功能设计，也可以作为以SPI 总线微处理器为核心的智能家居系统，在系统数据和系统控制之间的信号接收和传输的主要载体。在选用以SPI 总线为核心的微处理器中，由于其可以被用于更多的内部处理器资源、模数转换、总线微控制器局域网接口、CAN 总线处理器接口的设计和开发中，所以这种以SPI 总线微处理器为核心的智能家居系统，更适合于低功耗家庭应用的芯片。

5 结 论

随着智能家居的快速发展，以及现代人们对于高品质家居生活的追求，基于无线传感器网络的智能家居系统将会拥有越来越广泛的发展前景。