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无线传感器技术在智能家居系统的应用
作者：程海英; 陈勇
来源：中国仪器仪表
日期：2010-12-15 15:24:45
摘要：近年来无线网络技术取得了突飞猛进的发展，从人工操作的无线电报网络到使用扩频技术的自动化无线局域网络。
1 引言
智能家居是利用计算机技术、控制技术、图像显示技术以及通信技术将各种设施通过网络连接到一起，从而满足整个系统的自动化要求，能够提供更便捷的控制和管理。传统的智能家居实现一般是通过有线线路的布线方式对楼宇设施进行控制和通信，很难脱离各种线缆的束缚、安装成本较高，而且系统的扩展性也很差。基于无线传感器网络技术的智能家居系统不仅可以摆脱线缆的束缚、降低安装成本，而且系统的扩展性也有了大幅度的提高。
2 智能家居系统概述
智能家居系统可以划分为外网、网关和内网3个部分。外网可以是小区局域网、有线电视网、电话网和Internet等，大多采用比较成熟的技术。内网则是用于互连家庭内部各种家电、设备的局域网，由于所连接的设备千差万别，其组网形式也表现出很大的多样性。家庭内网根据其功能大体上分为3类：用于实现控制功能的控制网络，用于交换数据信息的数据网络和用于传输音频和视频的多媒体网络。家庭网关是连接家庭内网和外网的网络连接设备，将内网接入外网，为外网提供对家庭内部联网设备的控制功能；同时家庭网关允许家庭内部可以采用不同的联网技术，利用网关为不同的通信子网提供桥接的能力，使各子网内的联网设备之间可以相互通信。智能家居系统总体结构框图如图1所示。
（2）安全防护：包括小区周边防护、家庭可视对讲、门禁控制、防盗报警、防火灾、防燃气泄漏，水溢漏等）。
（3）高速信息接入：Internet、视频电话、小区局域网等通过网关进入家庭。
（4）小区服务：小区管理中心可以对辖区内设备、环境实施监控和管理。
智能家居系统重点考虑的是家庭内部通信网络，主要包括智能家居网关和家庭智能传感器节点2个部分。智能家居网关是家庭资源管理和配置中心，完成家庭组网和节点控制等功能。智能家居的网关通过组网技术连接家庭网络中各传感器开关节点，通过标准的通信协议对内实现智能家居内部网络的管理和控制，对外作为家庭网络和外部网络的信息的交互接口。智能家居能实现的各种功能，如：家庭监控、内外信息交互、能源管理、家庭安防、场景设置等都离不开智能家居网关的支持，许多功能都是基于智能家居网关而实现的。
3 智能家居的关键技术
智能家居中的关键技术是网络通信技术，网络通信的可靠性决定了整个智能家居系统的稳定性。智能家居中的通信方式大致分为有线和无线2种。有线方式有电力线载波(PLC)、以太网和有线局域网等。
无线方式可分为两大类:一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)，通用分组无线传输技术(GPRS)，EDGE等；二是基于局域网的技术，如ZigBee、IEEE802.11W LAN、蓝牙（Bluetooth）、红外通信技术、Wi-Fi和超宽带(UWB)技术等。无线方式的优点在于无需布线，大大降低了施工难度。
（1）无线传感器技术的概念
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks WSNs)是由众多传感器节点构成的无线网络。其目的是感知、采集和转发网络覆盖的感知对象的各种信息，并发送给观测者。传感器节点、感知对象和观测者是无线传感器网络的3个组成部分：无线网络是传感器之间、传感器节点与观测者之间的通信基础，用于在传感器与观测者之间建立通信路径；感知、采集、处理、发送感知信息是传感器网络的基本功能。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的分布形状也会随着节点的移动而不断地动态变化。传感器节点由电源、传感器元器件、处理器CPU、存储器、通信部件和软件几部分构成。
与传统的数据采集技术相比，无线传感器网络系统的优势主要体现在：感知范围扩大、容错性能提高、测量的准确性提高、成本降低，此外，由于无线传感器网络具有很高的智能性，部署方便，可以长期在无人干预的环境中自主工作。大大降低了使用和维护的成本。
（2）无线传感器技术的特点
近年来无线网络技术取得了突飞猛进的发展，从人工操作的无线电报网络到使用扩频技术的自动化无线局域网络。无线网络的应用领域随着技术的进步不断地扩展。目前主流的无线网络技术如：IEEE8O2.11、IEEE802.15.3(Bluetooth)、IEEE802.15.4(ZigBee)都是为了数据传输而设计的。
无线传感器网络的主要特点如下：
规模大：传感器网络可能包含多达成千上万个节点。
高冗余：为了保证网络的可用性和生存能力，传感器网络通常具有较高的节点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。
拓扑易变化：除了节点移动带来的网络拓扑变化外，传感器节点的功率控制和剩余电量下降等因素也会导致网络拓扑变化。另外，根据应用需要，网络中有些节点可能进入休眠状态，从而引起工作节点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变。
专用：传感器网络是针对某种数据采集需求而专门建立的。
空间位置寻址：用户往往不关心数据采集于哪一个节点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式，而不必采用Internet的IP寻址方式。
自组织：网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施。传感器节点通过分布式网络拓扑协议实现组网，网络能够自动调整以适应节点的移动、添加和退出、剩余电量和无线传输范围的变化等。
流量不均衡：传感器网络流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据流向处理中心且在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象。
4 无线传感器技术的系统实现
（1）系统功能模块组成
智能家居系统是一种基于单片机的可通过电话、互联网络访问及控制家居设备的控制系统。智能家居网络控制系统通过数据采集、命令控制模块和TCP/IP协议模块实现安全监控网络化，命令控制分为3种模式:1）电话远程控制；2）网络远程控制；3）现场当机操作。系统结构如图2所示。
智能家居网关是整个系统的核心，主要负责与系统中的各模块协同工作。通过单片机及模块中的各接口实现对整个系统的调度。该模块既可响应来自外部的电话及互联网络的控制请求指令,通过对指令的解释,传输相应的状态信息或控制调度各模块动作,也可响应家居内部的安防报警请求,并通过电话模块向用户发送报警信息。
硬件部分包括CPU基本系统、以太网接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系统包括电源、复位、Flash、内存等电路。系统硬件结构如图3所示。
电源：系统采用楼宇自动化的标准12V/5V直流电源，用DC-DC转换器完成5~3.3V和5~1.8V的转换，给CPU和外围器件提供电源。
复位电路和时钟电路：时钟电路为微处理器及其他电路提供工作时钟，是系统必须的重要电路。复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能，系统采用较简单的RC复位电路。
Flash存储器接口电路：Flash存储器在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的数据等。Flash接口电路是最小系统设计中至关重要的电路。常用的Flash存储器为8bit/16bit数据宽度，工作电压一般为3.3V，主要生产厂商为Intel、Atmel、Hyundai等。
S D R A M接口电路：与F l a s h存储器相比较，S D R A M虽然不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，并且具有读/写属性，SDR A M在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。
液晶显示：液晶选用SHARP公司的HR-TFT，型号是LQ035Q7DB02。该液晶模块是TFT型液晶，260K真彩显示。模块包括触摸屏接口，背光采用白色LED背光，典型驱动电压是21.6VDC。
电话遥控：用户可以用手机或电话遥控家电的开关，从而实现远程家庭遥控管理。系统首先利用解码芯片对DTMF信号进行解码，然后由MPC850对解码进行译码，并根据译码发出相应的控制信号，驱动被控电路，实现对家电的控制和电话控制等。
（3）系统软件设计
系统软件部分主要由家庭网络终端程序组成。
系统上电后，对各模块进行初始化操作，其主要功能包括水、电、气3表的数据采集和存储、报警信息的获取、设防撤防状态的获取和以上信息数据的无线发送。主控模块处于待机状态，以中断方式随时响应来自网络通信模块、电话语音模块及安防报警3方面的请求，其中的网络通信模块工作在服务模式下，侦听来自互联网的远程控制请求。对于电话的连接请求，在核实用户身份后，通过语音提示模块引导用户完成电话的按键指令操作，控制相关模块动作，并以语音提示信息的方式向电话用户回送相关信息；对于安防报警方面的请求，主控模块则以用户事先设定的电话号码拔通用户电话并以语音提示的方式向用户发出报警。数据的无线发送和接收要遵守家庭网关通信协议。
5 结束语
随着计算机技术、控制技术、图像显示技术、通信技术的不断发展，通过现有的因特网和PSTN实现远程控制越来越普遍，组建基于无线传感器网络技术的智能家居系统，可以满足低成本、低功耗、易操作、易安装、易扩充的设计思路，并且系统安装方便，适用范围广，具有很好的实用价值。
智能家居是利用计算机技术、控制技术、图像显示技术以及通信技术将各种设施通过网络连接到一起，从而满足整个系统的自动化要求，能够提供更便捷的控制和管理。传统的智能家居实现一般是通过有线线路的布线方式对楼宇设施进行控制和通信，很难脱离各种线缆的束缚、安装成本较高，而且系统的扩展性也很差。基于无线传感器网络技术的智能家居系统不仅可以摆脱线缆的束缚、降低安装成本，而且系统的扩展性也有了大幅度的提高。
2 智能家居系统概述
智能家居系统可以划分为外网、网关和内网3个部分。外网可以是小区局域网、有线电视网、电话网和Internet等，大多采用比较成熟的技术。内网则是用于互连家庭内部各种家电、设备的局域网，由于所连接的设备千差万别，其组网形式也表现出很大的多样性。家庭内网根据其功能大体上分为3类：用于实现控制功能的控制网络，用于交换数据信息的数据网络和用于传输音频和视频的多媒体网络。家庭网关是连接家庭内网和外网的网络连接设备，将内网接入外网，为外网提供对家庭内部联网设备的控制功能；同时家庭网关允许家庭内部可以采用不同的联网技术，利用网关为不同的通信子网提供桥接的能力，使各子网内的联网设备之间可以相互通信。智能家居系统总体结构框图如图1所示。
（2）安全防护：包括小区周边防护、家庭可视对讲、门禁控制、防盗报警、防火灾、防燃气泄漏，水溢漏等）。
（3）高速信息接入：Internet、视频电话、小区局域网等通过网关进入家庭。
（4）小区服务：小区管理中心可以对辖区内设备、环境实施监控和管理。
智能家居系统重点考虑的是家庭内部通信网络，主要包括智能家居网关和家庭智能传感器节点2个部分。智能家居网关是家庭资源管理和配置中心，完成家庭组网和节点控制等功能。智能家居的网关通过组网技术连接家庭网络中各传感器开关节点，通过标准的通信协议对内实现智能家居内部网络的管理和控制，对外作为家庭网络和外部网络的信息的交互接口。智能家居能实现的各种功能，如：家庭监控、内外信息交互、能源管理、家庭安防、场景设置等都离不开智能家居网关的支持，许多功能都是基于智能家居网关而实现的。
3 智能家居的关键技术
智能家居中的关键技术是网络通信技术，网络通信的可靠性决定了整个智能家居系统的稳定性。智能家居中的通信方式大致分为有线和无线2种。有线方式有电力线载波(PLC)、以太网和有线局域网等。
无线方式可分为两大类:一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)，通用分组无线传输技术(GPRS)，EDGE等；二是基于局域网的技术，如ZigBee、IEEE802.11W LAN、蓝牙（Bluetooth）、红外通信技术、Wi-Fi和超宽带(UWB)技术等。无线方式的优点在于无需布线，大大降低了施工难度。
（1）无线传感器技术的概念
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks WSNs)是由众多传感器节点构成的无线网络。其目的是感知、采集和转发网络覆盖的感知对象的各种信息，并发送给观测者。传感器节点、感知对象和观测者是无线传感器网络的3个组成部分：无线网络是传感器之间、传感器节点与观测者之间的通信基础，用于在传感器与观测者之间建立通信路径；感知、采集、处理、发送感知信息是传感器网络的基本功能。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的分布形状也会随着节点的移动而不断地动态变化。传感器节点由电源、传感器元器件、处理器CPU、存储器、通信部件和软件几部分构成。
与传统的数据采集技术相比，无线传感器网络系统的优势主要体现在：感知范围扩大、容错性能提高、测量的准确性提高、成本降低，此外，由于无线传感器网络具有很高的智能性，部署方便，可以长期在无人干预的环境中自主工作。大大降低了使用和维护的成本。
（2）无线传感器技术的特点
近年来无线网络技术取得了突飞猛进的发展，从人工操作的无线电报网络到使用扩频技术的自动化无线局域网络。无线网络的应用领域随着技术的进步不断地扩展。目前主流的无线网络技术如：IEEE8O2.11、IEEE802.15.3(Bluetooth)、IEEE802.15.4(ZigBee)都是为了数据传输而设计的。
无线传感器网络的主要特点如下：
规模大：传感器网络可能包含多达成千上万个节点。
高冗余：为了保证网络的可用性和生存能力，传感器网络通常具有较高的节点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。
拓扑易变化：除了节点移动带来的网络拓扑变化外，传感器节点的功率控制和剩余电量下降等因素也会导致网络拓扑变化。另外，根据应用需要，网络中有些节点可能进入休眠状态，从而引起工作节点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变。
专用：传感器网络是针对某种数据采集需求而专门建立的。
空间位置寻址：用户往往不关心数据采集于哪一个节点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式，而不必采用Internet的IP寻址方式。
自组织：网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施。传感器节点通过分布式网络拓扑协议实现组网，网络能够自动调整以适应节点的移动、添加和退出、剩余电量和无线传输范围的变化等。
流量不均衡：传感器网络流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据流向处理中心且在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象。
4 无线传感器技术的系统实现
（1）系统功能模块组成
智能家居系统是一种基于单片机的可通过电话、互联网络访问及控制家居设备的控制系统。智能家居网络控制系统通过数据采集、命令控制模块和TCP/IP协议模块实现安全监控网络化，命令控制分为3种模式:1）电话远程控制；2）网络远程控制；3）现场当机操作。系统结构如图2所示。
智能家居网关是整个系统的核心，主要负责与系统中的各模块协同工作。通过单片机及模块中的各接口实现对整个系统的调度。该模块既可响应来自外部的电话及互联网络的控制请求指令,通过对指令的解释,传输相应的状态信息或控制调度各模块动作,也可响应家居内部的安防报警请求,并通过电话模块向用户发送报警信息。
硬件部分包括CPU基本系统、以太网接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系统包括电源、复位、Flash、内存等电路。系统硬件结构如图3所示。
电源：系统采用楼宇自动化的标准12V/5V直流电源，用DC-DC转换器完成5~3.3V和5~1.8V的转换，给CPU和外围器件提供电源。
复位电路和时钟电路：时钟电路为微处理器及其他电路提供工作时钟，是系统必须的重要电路。复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能，系统采用较简单的RC复位电路。
Flash存储器接口电路：Flash存储器在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的数据等。Flash接口电路是最小系统设计中至关重要的电路。常用的Flash存储器为8bit/16bit数据宽度，工作电压一般为3.3V，主要生产厂商为Intel、Atmel、Hyundai等。
S D R A M接口电路：与F l a s h存储器相比较，S D R A M虽然不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，并且具有读/写属性，SDR A M在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。
液晶显示：液晶选用SHARP公司的HR-TFT，型号是LQ035Q7DB02。该液晶模块是TFT型液晶，260K真彩显示。模块包括触摸屏接口，背光采用白色LED背光，典型驱动电压是21.6VDC。
电话遥控：用户可以用手机或电话遥控家电的开关，从而实现远程家庭遥控管理。系统首先利用解码芯片对DTMF信号进行解码，然后由MPC850对解码进行译码，并根据译码发出相应的控制信号，驱动被控电路，实现对家电的控制和电话控制等。
（3）系统软件设计
系统软件部分主要由家庭网络终端程序组成。
系统上电后，对各模块进行初始化操作，其主要功能包括水、电、气3表的数据采集和存储、报警信息的获取、设防撤防状态的获取和以上信息数据的无线发送。主控模块处于待机状态，以中断方式随时响应来自网络通信模块、电话语音模块及安防报警3方面的请求，其中的网络通信模块工作在服务模式下，侦听来自互联网的远程控制请求。对于电话的连接请求，在核实用户身份后，通过语音提示模块引导用户完成电话的按键指令操作，控制相关模块动作，并以语音提示信息的方式向电话用户回送相关信息；对于安防报警方面的请求，主控模块则以用户事先设定的电话号码拔通用户电话并以语音提示的方式向用户发出报警。数据的无线发送和接收要遵守家庭网关通信协议。
5 结束语
随着计算机技术、控制技术、图像显示技术、通信技术的不断发展，通过现有的因特网和PSTN实现远程控制越来越普遍，组建基于无线传感器网络技术的智能家居系统，可以满足低成本、低功耗、易操作、易安装、易扩充的设计思路，并且系统安装方便，适用范围广，具有很好的实用价值。
