基于无线传感器网络的智能家居系统的应用

王瑶

关键词：无线传感器网络智能家居系统设计

1引言

所谓智能家居系统，其实就是利用嵌入式系统技术实现智能家居管理的终端。智能家居系统可以利用各种通信手段获取控制指令，并借助传感器网络提供的信息完成智能判断。智能家居系统在家居环境管理方面具有安全、便捷的优势。随着人们生活水平的提高，智能家居系统逐渐渗透到人们的生活中。因此，应该加强对智能家居系统设计的研究，从而为人们的生活提供更多的便利。

2无线传感器网络和智能家居系统

近年来，无线传感器网络（WSN）技术迅速发展并受到广泛关注，它的出现和发展对现代科学技术产生了深远的影响。与传统网络技术不同，无线传感器网络技术将现代无线通信技术、微传感器技术和网络技术有机融合，成为近年来国内外的研究热点，引起了世界上许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视，应用前景十分广阔。

无线传感器网络是一个独立的计算机网络，其基本单元是节点，集成了传感器、微处理器、无线接口和电源四个模块。传统计算机网络技术的成熟解决方案对无线传感器网络具有借鉴意义[1]。然而，根据无线传感器网络的用途和功能开发专用的通信协议和路由算法，已经成为无线传感器网络领域中一个迫切的研究课题。智能家居集建筑、网络通信、信息家电、设备自动化于一体，构建了集系统、结构、服务、管理于一体的高效、舒适、安全、便捷、环保的生活环境。

智能家居可以定义为一个过程或一个系统，其利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术，将与家居生活相关的各个子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，还提供了舒适、安全、高档、愉悦的家庭居住空间。家居从原来被动的静态结构变成了拥有主动智慧的工具，拥有全方位的信息交流功能，可以帮助家庭与外界保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至节省了各种能源成本。

3总体结构和工作原理

无线传感器网络的层次及其协议的集合就是网络体系结构[2]。在架构上，无线传感器网络的概念清晰、理论完整。在OSI七层协议架构中，TCP/IP是一个四层架构，包括应用层、传输层、互联网层和网络接口层。但是，本质上，TCP/IP只有前三层架构。结合它们的优点，无线传感器网络采用了五层协议体系。其中，应用层负责通过应用进程之间的交互完成特定的网络应用;传输层负责为两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务;网络层负责为分组交换网络上的不同主机提供通信服务;数据链路层将网络层移交的IP数据报组装成帧进行传输;物理层传输的数据单位为比特。以上五层协议体系构成了无线传感器网络的体系结构，并按照各自的功能和任务运行。

4家庭安防系统安全功能的实现过程

智能家居安防系统的技术基础是无线传感器网络，在执行一定的安全功能时，首先要在控制中心的基础上建立一定的网络节点布局工作，然后借助计算机、工作站和信息模块进一步完善家庭安全系统的不同功能。具体来说，需要结合实际系统功能设置传感器节点，只有这样才能充分获取一些相关的智能家居信息。传感器节点的分布位置要全面、有规划，一些关键位置不能遗漏。这一步完成后，需要建立一定的门牌号和节点号，通过编写清晰的节点码就可以实现智能家居门牌号的一一对应。一般而言，按照统一规划的基本原则，此时需要在特定房间建立合适数量的节点，全方位地模拟实际情况，可以说这是完成整个系统功能的重中之重。最后一个环节则是基础数据处理环节，数据处理的目的是帮助系统识别智能家居安全系统的内部语言。

具体来说，数据处理功能主要包括以下几个方面：通过对无线传感器网络中涉及的传感器对应节点的位置信息进行处理，通过处理可以获得关于室内温度、光照强度等方面的信息，同时可以将传感器采集到的数据信息进行打包或调整，再借助一定的汇聚节点发送给整个智能家居安防系统的其他模块;系统控制中心对数据信息的处理过程主要基于数据库的存储，通过数据信息的存储实现实时调用;智能家居安防系统还需要处理一定的规划数据，然后在此前提下优化后期参数，进一步发送控制指令。

5智能家居系统中的无线传感器网络技术

5.1基本原则

无线传感器网络是一种分布式传感器网络，其末端是一个能够感知和检查外界的传感器。无线传感器网络中的传感器通过无线方式进行通信，因此网络设置灵活，设备的位置可以随时更改，也可以通过有线或无线方式與互联网进行连接。基于低功耗、自组织、高可靠性和低成本的无线传感器网络是构建家庭无线网络的最佳选择。无线传感器网络可以利用现有的互联网、移动通信网络和电话网络，将室内环境参数、家用电器运行状态等信息告知居民，让居民通过互联网及时了解家中情况，从而远程监控家用电器，实现家内外信息的传输。

5.2无线数据传输技术

（1）红外通信技术。红外通信技术主要利用红外线进行点对点的短距离通信，其优点是干扰小，且数据传输速率为1Gbps。红外通信技术不需要物理连接，但由于红外线的直连特性，红外通信技术通常存在距离短、传输方向强、对遮蔽物要求高等缺点。仅在智能家居中使用这项技术并不能满足信息传输的要求，但可以用来控制一些家用电器（如电视、电脑等）。

（2）蓝牙技术。蓝牙技术是一种无线技术标准，可以实现固定设备、移动设备和楼宇个人区域网之间的短距离数据交换，主要用于便携式设备与其外设之间建立通信。蓝牙技术进一步将通信技术与计算机技术相结合，为移动设备和固定设备之间的通信提供了一个有效的空中接口，可以在短距离内相互通信。蓝牙技术采用短包和快速跳频技术，首先可以通过分散的网络结构有效支持点对点的通信，从而克服数据同步的问题。工作频段为2.4GHzISM频段，传输速率为1Mbps，传输距离一般为10～100m。

（3）ZigBee技术。ZigBee技术是蓝牙技术的延伸[3]，在ZigBee技术加持下，一台主设备可以连接255台设备，组网规模大，可以支持智能家居中大量设备的接入。ZigBee技术的工作频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美洲）。其中，2.4GHz频段的通信速率为10～250kbit/s，通信距离为10～100m。ZigBee技术因其低功耗和高可靠性而适用于智能家居。

（4）无线网络（Wi⁃Fi）技术。无线网络技术是一种允许电子设备连接无线局域网的技术。连接无线局域网通常需要密码保护，但也可以是开放的，这样WLAN范围内的任何设备都可以进行连接。虽然Wi⁃Fi技术的通信质量较差，但其传输速度高达54Mbps。由于Wi⁃Fi技术在通信速度

6基于无线传感器网络的智能家居系统设计

6.1系统架构设计

从系统架构来看，智能家居系统采用无线传感器网络设计，由传感器网络、传输网络和应用网络组成。其中，传感器网络是系统使用的无线传感器网络，其可以完成家庭环境中多个硬件节点的设置，并利用无线链路构建自组织网络;传输网络是由外网和家庭网关组成的网络，其通过网关与传感器节点进行连接，并采用无线连接方式。当与互联网、移动通信网络等外部网络进行连接时，系统将采用有线和无线通信方式，能够自动完成通信协议的转换，保证数据信息按顺序传输。借助该网络，用户还可以查询家庭设备信息或给出操作控制指令。此外，该系统还配备了应用网络，应用网络包含许多终端设备，用户可以使用外部网络读取家庭信息并根据信息控制家庭设备。

在实际的系统架构建设中，应采用ZigBee技术作为系统的无线通信技术。与其他技术相比，ZigBee技术采用的局域网协议功耗更低，可以实现数据的短距离无线通信，同时，ZigBee技术工作在2.4GHz和868/928MHz频段，可以保证数据传输的可靠性，为ad⁃hoc网络的构建提供支持。

网关则是系统的核心结构，其应该有各种接口，如ZigBee网络接口、以太网接口、Wi⁃Fi接口等，以此连接各种网络，实现与家庭内网和外网的通信。此外，利用ZigBee协议作为传感器节点之间的通信协议，也可以构建无线多跳网络，使节点数据可以在网关节点进行汇聚。

6.2系统硬件设计

在系统硬件设计方面，首先需要分散部署家庭环境中的多个传感器。这些传感器可以分为两类：一类是传感设备;另一类是控制设备。其中，穿透装置是简单的传感器，如温度传感器和湿度传感器。被控设备由传感器和继电器组成，可以根据用户指令控制家用设备。在此基础上，还要做好家庭网关和无线传感器网络的设计，保证家庭信息的顺利采集。

在家庭网关设计方面，可以采用S3C2440作为硬件平台。S3C2440是一款采用ARM92OT内核的嵌入式微处理器，可应用于低功耗、高性价比的设备。通过串口，网关核心板可以与家庭网络进行连接。当连接外部网络时，网关既可以使用Wi⁃Fi模块连接互联网，也可以通过PC电缆连接外部网络。

在无线传感器网络设计方面，紫蜂无线网络应该由紫蜂协调节点和紫蜂终端组成。其中，终端由多个传感器节点和ZigBee模块组成，可以完成信息数据的采集。此外，在定时器的加持下，每个传感器节点都可以在固定时间收集数据，并通过无线通信单元将数据传输到协调节点。在传感器节点和通信单元之间，有一个由中央处理器和嵌入式操作系统组成的处理单元，该系统的无线通信单元由发射模块和接收模块组成。而从协调节点的组成来看，该节点拥有一个ZigBee模块———由无线通信模块、串行收发模块、微处理器模块和电源模块组成，可以接收终端节点信息和网关指令。

6.3系统软件设计

在系统软件设计方面，可以采用嵌入式Linux作为软件开发平台，以此设计系统Web服务器。利用服务器上的CGI程序和网页，则可以完成家庭内部网络与外部网络的连接，实现用户与网页的交互。而有了浏览器，用户可以发送控制指令。服务器收到用户数据后，会对数据进行分析，然后将分析后的指令发送到家中的内部节点，实现对家居设备的远程控制和管理。无线传感器节点是网络中的普通节点，需要完成参数采集和设备控制任务。协调节点应接收网络集群中心节点发送的数据，并将数据传输到服务器，然后使用集群节点发送指令。

在智能家居系统软件设计方面，也要做好监控软件和远程控制软件的设计。在监控软件设计中，需要利用监控模块对家居信息进行智能检测，并通过无线网络向指定号码发送消息，通过电子邮件向用户发送直播画面。此外，在远程控制软件的设计中，需要完成家庭安防系统和家庭远程控制系统的设计。其中，安防系统具有防盗、防燃气泄漏等功能，能够准确监测火灾等安全信号并自动报警。远程控制软件可以根据家电的运行信息对家电进行控制，保证家电正常工作。目前，该系统可实现家电运行、闭路电视监控、照明控制、水电抄表控制、多媒体控制等多种控制功能[5]。

7结语

研究发现，利用无线传感器网络进行智能家居系统的设计，可以完成更加实用的系统设计，从而满足现代家居的多样化、个性化需求。该系统可以起到家庭照明控制、家电运行控制和環境监测的作用。此外，该系统的功耗和成本也较低，通用性较强，可与各种家用电器进行连接。目前，市面上大部分智能家居都是有线的，而本文则提出将无线传感器网络系统应用于智能家居系统，并对其总体结构、工作原理、硬件和软件进行了设计和阐述。最后，通过仿真测试，取得了良好的应用效果，希望可以为智能家居的发展提供参考。