基于WSN的智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

引言

20世紀(jì)80年代初，隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器的面市和住宅電子化(HomeElectronics,HE)的出現(xiàn)，在80年代中期，將家用電器、通信設(shè)備與安保防災(zāi)設(shè)備各自獨(dú)立的功能綜合為一體后,便形成了住宅自動(dòng)化(HomeAutomation,HA)概念。而在80年代末，由于通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對(duì)住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過總線技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國(guó)稱為SmartHome，也就是現(xiàn)在智能家居的原型虬一般情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)大多由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信形成一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)視對(duì)象的各種信息并加以處理，從而完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)任務(wù)[2]o將WSN技術(shù)與傳統(tǒng)智能家居相結(jié)合，便可形成目前主流的智能家居系統(tǒng)，本文將基于WSN來討論智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1國(guó)內(nèi)外智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀

在智能家居發(fā)展過程中，美國(guó)一直處于領(lǐng)先水平。近年來,以美國(guó)微軟公司及摩托羅拉公司等為首的一批國(guó)際知名企業(yè),先后躋身于智能家居的研究與開發(fā)中，例如微軟開發(fā)的“夢(mèng)幻之家”IBM公司開發(fā)的“家庭主任”、摩托羅拉公司開發(fā)的“居所之門”等叫在我國(guó)的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的重點(diǎn)領(lǐng)域中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理也被列為信息產(chǎn)業(yè)中7個(gè)主題之一叫目前的智能家居主要都是高成本產(chǎn)品，出現(xiàn)各種檔次和百家爭(zhēng)鳴的景象，其市場(chǎng)化普及尚需時(shí)日。我國(guó)的智能家居系統(tǒng)還處于從無到有的初級(jí)階段，如何建立一個(gè)高效率、低成本、與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌的系統(tǒng)已成為當(dāng)前社會(huì)的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

在智能家居的發(fā)展中，目前還存在協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、接口等不規(guī)范，家居內(nèi)有線組網(wǎng)方式非常麻煩，而傳統(tǒng)無線組網(wǎng)方式又太昂貴，系統(tǒng)運(yùn)行不可靠、不穩(wěn)定等問題。用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中以RS485總線或CAN總線的有線組網(wǎng)方式，無需施工布線，安裝簡(jiǎn)便，可以方便地形成智能家居網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)家居系統(tǒng)和WSN家居系統(tǒng)的對(duì)比如表1所列。

2智能家居系統(tǒng)的功能分析

智能家居以住宅為平臺(tái)，將與家居相關(guān)的安防、電器、節(jié)能、醫(yī)療等設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來，并對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)或集中控制管理，從而創(chuàng)造出高效、舒適、安全、環(huán)保的居住環(huán)境。主要的系統(tǒng)功能由以下一些子系統(tǒng)組成：

（1）可視對(duì)講系統(tǒng)：包括呼叫戶主、對(duì)講、攝像、室內(nèi)監(jiān)視室外、室外密碼開門等；

（2）照明控制系統(tǒng)：可提供燈光的調(diào)控、開關(guān)、場(chǎng)景控制；

（3）家居安防系統(tǒng)：即紅外報(bào)警、窗磁門磁、傳感器報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等；

（4）電器控制系統(tǒng)：對(duì)窗簾、通風(fēng)設(shè)備、空調(diào)器、紅外家電進(jìn)行控制；

（5）手持設(shè)備、PC控制：通過平板電腦、智能手機(jī)，網(wǎng)頁瀏覽器隨時(shí)隨地控制家中設(shè)備；

（6）節(jié)能控制系統(tǒng)：自動(dòng)監(jiān)控能耗狀況，對(duì)耗能進(jìn)行管理,過載自動(dòng)斷電；

（7）網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控：在有網(wǎng)絡(luò)的任何地方，通過網(wǎng)頁都可以看到家中的情景。

這些子系統(tǒng)主要是從功能的角度進(jìn)行劃分的，實(shí)際上,它們是一個(gè)整體，某些模塊可能同時(shí)在幾個(gè)子系統(tǒng)中發(fā)揮作用，而且各個(gè)子系統(tǒng)之間也可以建立非常緊密的聯(lián)系。

3智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由無線智能網(wǎng)關(guān)、小區(qū)服務(wù)器、分布式家電控制、網(wǎng)絡(luò)接口、控制終端設(shè)備等部分組成。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下：

(1)由各類傳感器分別檢測(cè)收集居室的溫度、濕度、煙霧、CO、甲烷、安防參數(shù)以及電、氣、水能耗等家居信息；

⑵將所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的信息上傳到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)采集并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到服務(wù)器；

（3）服務(wù)器后臺(tái)接收到網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)發(fā)到手持設(shè)備，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，若前臺(tái)頁面需要顯示相關(guān)數(shù)據(jù),可以隨時(shí)從數(shù)據(jù)庫中讀??；

(4)用戶手持設(shè)備或遠(yuǎn)程PC的控制命令通過GPRS或Internet與服務(wù)器相連，服務(wù)器后臺(tái)接收到相關(guān)的命令之后轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制命令，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)或遠(yuǎn)程PC控制設(shè)備的功能。

智能家居系統(tǒng)的核心部分是多功能網(wǎng)關(guān)，基于IEEE802.15.4E協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有近距離、低功耗、低成本的特點(diǎn)，可以移植到多種嵌入式設(shè)備中。由于IEEE802.15.4E設(shè)備工作在2.4GHz頻段，采用自組織方式組網(wǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量沒有限制，新添加的設(shè)備節(jié)點(diǎn)會(huì)被網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，因而提升了網(wǎng)絡(luò)的可靠性電圖1所示為智能家居的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 智能家居網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.1家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)在智能家居中起著橋梁作用，可將家庭內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)建立連接，通過現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將家庭內(nèi)各種家電和設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，而嵌入式系統(tǒng)具有體積小、專業(yè)化強(qiáng)、配置要求低、使用簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)。嵌入式網(wǎng)關(guān)就是把TCP/IP協(xié)議棧固化在單片機(jī)內(nèi)，使單片機(jī)具有以太網(wǎng)接入功能的一種廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)接入裝置。只要微控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口芯片進(jìn)行控制和通信，并通過自主開發(fā)TCP/IP協(xié)議棧，把標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(TCP/IP)運(yùn)用到嵌入設(shè)備中，就能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的任何時(shí)間和地點(diǎn)對(duì)它進(jìn)行監(jiān)控。利用傳統(tǒng)的Web和Internet遠(yuǎn)程監(jiān)視數(shù)據(jù)，并對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行控制。

因此，本文提出了一種用嵌入式網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與Internet互連的方案，該方案選用Linux開發(fā)平臺(tái)，以ARM11為控制器，集成藍(lán)牙模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、串口模塊以及其外圍基本電路，來研究單片機(jī)在以太網(wǎng)卡數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用E其家庭網(wǎng)關(guān)通信圖如圖2所示。

3.2小區(qū)服務(wù)器的設(shè)計(jì)

智能家居小區(qū)服務(wù)器可分為后臺(tái)運(yùn)行的控制程序和Web工程文件兩個(gè)功能部分。服務(wù)器后臺(tái)接收到手機(jī)的控制命令后轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制命令，以實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備控制的功能。服務(wù)器收到網(wǎng)關(guān)上傳的消息后，服務(wù)器后臺(tái)將其轉(zhuǎn)發(fā)到手持設(shè)備并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，這樣，當(dāng)前臺(tái)頁面需要顯示各類傳感器值時(shí)，就可以從數(shù)據(jù)庫中讀取。Web網(wǎng)頁可以為用戶提供家庭設(shè)備的管理，屋內(nèi)情況的監(jiān)控，家庭安防的布防撤防功能，以及環(huán)境檢測(cè)傳感器值的顯示和工作電器的能耗情況顯示。圖3所示為小區(qū)服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)中的監(jiān)控主機(jī)可通過Web服務(wù)器接入Internet,其上位機(jī)交互界面采用JavaScript編寫，并嵌入于HTML網(wǎng)頁中。因此，只要在能連接到Internet的地方，就可以方便地通過計(jì)算機(jī)的Web瀏覽器連接到服務(wù)器。戶主輸入用戶名和密碼后,將進(jìn)入本戶監(jiān)控頁面，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種防范能力較強(qiáng)的綜合安全系統(tǒng)，在前臺(tái)頁面中嵌入網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)監(jiān)控畫面，就可以直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)地顯示屋內(nèi)狀況。

基于設(shè)計(jì)要求所建的數(shù)據(jù)庫應(yīng)當(dāng)是一個(gè)具有大容量、可快速存取的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)選用SQLServer2005數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)。數(shù)據(jù)訪問對(duì)象(DataAccessObject)提供了訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所需的所有操作接口，其中包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、定義表、字段和索引，建立表間的關(guān)系，更新和查詢數(shù)據(jù)庫等，同時(shí)它還抽象數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)的方法，可以用任何Java數(shù)據(jù)訪問API并進(jìn)行處理。系統(tǒng)采用ODBC的方式實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的鏈接。ODBC是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問途徑。OBDC體系包括客戶端、驅(qū)動(dòng)程序管理器、數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器本身。這些構(gòu)件形成一條管道，使命令能從客戶端到達(dá)服務(wù)器，并使?fàn)顟B(tài)報(bào)告和數(shù)據(jù)返回給客戶端。它采用的四層體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4 ODBC 層次結(jié)構(gòu)圖

3.3智能家居WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

智能家居WSN節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)備的不同,按照功能模塊大致可以分為電源部分、主芯片、無線模塊、紅外家電控制模塊、各類傳感設(shè)備和系統(tǒng)執(zhí)行單元等幾個(gè)部分。各類傳感節(jié)點(diǎn)按模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行不同的功能組合，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

（1）電源部分。主要為CC2430芯片、GM812X系列芯片、傳感器芯片提供供電電壓，并實(shí)現(xiàn)電源供電和電池供電兩種供電方式的自動(dòng)切換選擇。

（2）主芯片。節(jié)點(diǎn)使用的主芯片采用三星的S3C6410(BGA封裝)，WSN協(xié)調(diào)器CPU可選擇CC2430,S3C6410與WSN協(xié)調(diào)器之間通過串口通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和管理等。

（3）無線控制模塊。無線模塊擬采用CC2530F256芯片，它是一款集成了8051內(nèi)核和一個(gè)24GHz頻段的RF收發(fā)器的SOC芯片，內(nèi)部還集成了256KB的Flash、8KB的RAM,并提供了2路UARTS、可支持7~12位分辨率ADC，可編程輸出功率達(dá)+4dBm，可最大化通信范圍的101dBm鏈路預(yù)算［7］。除時(shí)鐘電路外，其他外圍電路包括外圍接口電路、射頻匹配電路以及天線等。

（4）紅外家電控制模塊。紅外家電控制器采用基于ARM11內(nèi)核的S3C6410處理器。通過WSN模塊收發(fā)智能家居WSN網(wǎng)絡(luò)的家電控制信息，經(jīng)處理后控制相應(yīng)的家電，并通過驅(qū)動(dòng)USB接口的3G上網(wǎng)卡接入3G網(wǎng)絡(luò)。

（5）各類傳感設(shè)備。傳感器主要包括安防類和環(huán)境狀況監(jiān)控類兩種。安防類主要有可燃?xì)怏w的探測(cè)(如CO、C2H4)、煙霧探測(cè)、人體紅外探測(cè)、門窗狀態(tài)探測(cè)等；環(huán)境狀況監(jiān)控類主要有溫濕度、照度等。通過各類傳感器的數(shù)據(jù)采集，可讀取智能家居的各項(xiàng)參數(shù)。

（6）系統(tǒng)執(zhí)行單元。系統(tǒng)執(zhí)行單元用于實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)對(duì)實(shí)際設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)家庭照明系統(tǒng)、家電系統(tǒng)和安防設(shè)備的控制。主要的輸出單元模塊有數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào),其中包括各類無線的紅外信號(hào)和高頻的射頻信號(hào)。

4結(jié)語

基于WSN組建的智能家居網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)揖迎h(huán)境進(jìn)行很好的監(jiān)控，而且組網(wǎng)方便，能夠?qū)⑶队袩o線傳感器的家具、家電和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。事實(shí)上,智能家居為我們提供了一個(gè)舒適、方便和人性化的環(huán)境。雖然目前WSN技術(shù)還存在一些問題，但其布置靈活、擴(kuò)展便捷、無所不在的優(yōu)越性和發(fā)展趨勢(shì)都是無法阻擋的,智能家居領(lǐng)域從有線走向無線的總趨勢(shì)是無法逆轉(zhuǎn)的。智能家居企業(yè)只有基于自身產(chǎn)品和技術(shù)，發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，大膽創(chuàng)新，才能在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代贏得一席之地。

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