物联网传感器技术在智能家居中的应用研究

王宇豪，周 杨

（佳木斯大学 信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007）

0 引 言

传感器在物联网技术中的应用，可借助传感器技术实时动态地获取精确、可靠的数据并完成数据处理和传输等工作，为物联网系统应用提供数据支持。目前，将传感器技术和物联网系统联合起来可充分发挥两者的优势，被广泛应用在生产生活的方方面面。而在智能家居领域，利用物联网传感技术，可实现对智能家居全面动态化监控，完善家居控制系统，促使智能家居朝着更舒适、更安全、更智能的方向发展。

1 传感器在物联网技术中的应用

1.1 传感器的概念

传感器是一种重要的检测装置，能将某一被检测的物理量，比如温度、速度等变换为便于传输和处理的另一物理量，即电信号的装置。传感器具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化和网络化的特点，是实现自动化检测和自动化控制的首要环节，也是物联网各组成部分的核心所在。物联网传感器技术就是实现多个科技软体分析工具的整合，可使信息传播得更迅速、更准确。传感器技术可以为物联网系统提供实时数据，获取动态变化的信息，然后利用传感器将信息准确、可靠和实时地传输出去。

1.2 传感器在物联网中的作用

物联网由感知层、网络层和应用层组成，其中感知层是物联网中各组成部分的关键，因为感知层的存在实现了物联网数据采集和网络传播的功能。从物联网发展来看，想要促进其发展就要看传感器的发展情况，这是因为物联网机器之间的信息协作、测量和分析控制都需要依靠传感器完成，将多个传感科技和软件分析工具整合起来推动生产效能的发展。保证信息传播更加安全可靠和快速准确。物联网可以通过传感器技术的应用来获取实时动态的信息，然后通过传感器技术精确、可靠和实时地进行数据采集、转化处理和传输，为物联网系统的应用提供相应的数据。

2 物联网传感器技术的未来发展趋势

2.1 智能化

物联网传感器技术的智能化发展，指在物联网应用系统中，利用传感器技术可以实现智能化的逻辑思考和判断，并将智能化传感器应用到化学、电磁、光学等研究领域中，不断扩大物联网传感技术的应用范围。

2.2 微型化

微型化几乎是所有现代科学技术的未来发展趋势之一，从传感器技术来看，现代新型微型传感器由硅材料组成，体积小、重量轻，但是反应很快、灵敏度较高，且成本较低。近年来，微型传感器在各个领域得到了应用和研究，使传感器的体积设计越来越小，但是功能越来越强大，其中CAD技术、微机电系统技术、计算机集成电路技术等在传感器设计中的应用促进了传感器的微型化发展。

2.3 无线网络化

由传感器构成的网络是以嵌入式的系统实现对信息的分析处理的，同时随机组织了无线通信网络，将分布式信息处理、传感器、现代网络和无线通信技术、嵌入式计算技术等综合起来，并以多跳中继的方式将感知到的信息传输到用户终端上，通过各类集成化的微型传感器协作实现实时监测、感知和对环境以及其他被监测对象信息的采集。

2.4 多功能化

多功能传感器技术的发展，使其在农业、工业生产中应用的作用越来越明显。多功能传感器由多个敏感元件构成，具有体积小、功能多样的特点。传感器的多功能特点依靠的是敏感元件中不同的物理结构和物理化学物质以及不同的表征，是以单独的传感器系统实现的。

3 基于物联网传感器技术的智能家居系统的设计思路

3.1 智能家居系统的总体设计

智能家居系统由内网、外网和网关3部分组成，内网负责连接各家电和其他设施设备，外网是小区局域网，负责实现远距离的信息传输，而网关的作用是将内外网连接起来。现代智能家居系统的功能主要包括家电智能控制、灯光智能控制和家庭智能安防。根据以上功能可以将系统设计分成几大功能模块，即智能家居照明系统设计模块、安防监控模块和家居监控系统模块。上述功能模块的智能家居系统在设计时，主要包括拓扑结构选择、系统硬件结构设计和软件结构设计三大部分。首先智能家居系统利用的是ZigBee技术，基于该技术的3种网络拓扑结构有星型、簇状和网状网络拓扑。本文设计的智能家居系统主要应用于普通家庭住宅，规模较小，所以选择星型拓扑结构网络。在系统硬件结构设计中包含末端节点结构设计和家庭网关节点结构设计。在进行系统软件设计时，要求使用模块化设计，便于软件系统开发和维护更新。

3.2 智能家居系统的硬件设计

硬件设计的流程：第一，根据节点功能确定实现各节点功能需要的模块；第二，在综合考虑芯片功能、参数和成本的基础上选择合适的芯片；第三，设计各模块原理图并画图然后加工电路板并调试电路。

3.2.1 通信模块设计

通信模块选择ZigBee模块，利用该模块实现智能网关和末端节点之间的通信。核心芯片选择时要检验其是否具有较高的灵敏度和抗干扰能力，同时还要考虑芯片的设计是否简单、成本是否合理、能耗如何。电路设计时同时还要考虑减少电源干扰，实现阻抗的最佳匹配，同时还要考虑天线的选择问题。

3.2.2 湿度传感器模块

室内空气湿度是衡量住宅是否舒适的一个重要指标，所以在智能家居系统模块设计时，利用物联网传感器技术进行湿度传感器模块设计，是为监测和采集室内空气的湿度，利用数字传感器收集湿度信息并进行分析，然后根据分析结果确定选择怎样的湿度敏感电阻。

3.2.3 火警监测模块

采用气体传感器设备检测室内空气中一氧化碳的浓度及其变化，然后根据变化判断火警。这类传感器设备的灵敏度较高且价格较低、使用寿命较长、外围电路相对简单。芯片则使用高低温循环检测的方式，在低温时检测空气中一氧化碳的浓度，传感器的电阻会随着一氧化碳浓度的上升而减小，在高温时清洗传感器吸附的杂散气体。

3.2.4 煤气检测模块

为避免家庭煤气安全事故的发生，加强对煤气泄漏现象的监测变得十分重要。煤气监测模块安装在厨房中用来监测煤气泄漏的地方，在事故发生后能立即发出警报然后做出及时处理。尤其对厨房中一氧化碳含量的监测是重点，本系统采用气体传感器监测厨房煤气泄漏现象，设计时不用高低电压，电路设计相对简单且和火警监测模块一样，安装了一个蜂鸣器，可以在发生事故时及时发出警报。

3.2.5 末端控制节点设计

在硬件结构设计中，末端控制节点设计的作用是根据智能网管系统发来的指令控制智能家电开关，利用MCU集中控制继电器来控制智能家电开关的通断，执行模块的电路设计非常简单，可直接使用核心芯片中集成的MCU。

3.3 智能家居系统的软件设计

智能家居系统软件设计流程是：第一，安装开发平台；第二，编写代码生成的可执行文件；第三，编写程序并进行调试检验；第四，修改代码并再次进行测试。总体而言，包括采集节点软件设计、控制节点软件设计和网关节点软件设计。

3.3.1 采集节点软件设计

在采集节点软件设计时，考虑到采集节点负责的是数据的采集和传输，一般由电池供电，为减少电能消耗，延长电池使用，在设计时设置为节能的休眠模式，即每隔一段时间进入休眠然后再被唤醒。节点在加入网络后会采集相应的数据并和程序中预先设定的温度范围比较，将比较的结果发送到网关，在完成数据发送后节点会再次进入休眠，等待下一次被唤醒。

3.3.2 控制节点软件设计

控制节点软件设计相对简单，作用是接收网关命令并执行操作。在设计时必须考虑控制节点时时刻刻都在正常的工作状态，这样才能及时发送命令并做出反应。

3.3.3 网关节点软件设计

网关节点是用来接收、处理数据和进行命令发送的，接收的数据包括采集节点发送的数据和用户发送的命令。网关在设计时需要注意能实现对这些不同数据信息的收集和分析，然后确定下一步的操作控制。

4 智能家居系统的三大重要子模块

4.1 智能家居照明系统

智能家居照明系统和传统照明不同的是，基于物联网传感器技术的智能照明系统具有多点操作和集中化控制的功能、灯光明暗调节功能、全开全关和记忆功能以及定时控制、场景设置等功能，符合节能降耗的原则，也因为多功能满足人们的多元化需求。在进行设计时，采用无线控制方式，包括蓝牙、WiFi和ZigBee。其中ZigBee是基于物联网传感器技术进行智能家居照明系统设计中主要的无线网络技术，具有近程、低速率、低功耗的优势，适合用在远程控制和自动化控制的领域。

4.2 智能家居安防系统

智能家居安防系统以物联网的感知层、网络层和应用层3层体系结构为依据，感知层利用人体探测器、烟雾探测器等实现安全防护信息实时采集，利用ZigBee技术构成无线传感器网络；网络层则利用嵌入式的网关实现和感知层连接，通信网络中包括无线网络和光纤网络，实现数据的交换和通信，将信息传输给应用层，应用层则提高安全管理水平。

4.3 智能家庭控制系统

智能家居家庭控制系统利用相应的传感器、合适的芯片以及ZigBee技术进行软硬件设计，并构建管理平台，可实现对家中各电器设备和其他设施设备的监督控制。这样用户不管在不在家中都能通过手机和家中终端连接，实现对家中家电、天然气、水和外来人员的监督控制，使家居生活更舒适和安全。

5 结 语

随着科学技术在家居系统设计中的应用，对家居环境的整体要求也越来越高，智能家居系统的出现和应用，促使了物联网传感器技术在家居系统中设计的应用。本文分析了传感器技术和物联网的相关概念，结合物联网传感器技术的特点和优势，对基于物联网传感器技术的智能家居系统进行了研究分析。提出了基于物联网传感器技术的智能家居系统设计，利用ZigBee无线网络技术实现终端用户和中央的连接，实现中央控制器对家居系统的控制，达到智能家居安全、舒适和智能的效果。