基于WSN的智能家居系统方案设计

引言

20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器的面市和住宅电子化(HomeElectronics,HE)的出现，在80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后,便形成了住宅自动化(HomeAutomation,HA)概念。而在80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型虬一般情况下，无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)大多由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织的网络系统。该系统能实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息并加以处理，从而完成数据采集和监测任务[2]o将WSN技术与传统智能家居相结合，便可形成目前主流的智能家居系统，本文将基于WSN来讨论智能家居系统的设计方案。

1国内外智能家居的发展现状

在智能家居发展过程中，美国一直处于领先水平。近年来,以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业,先后跻身于智能家居的研究与开发中，例如微软开发的“梦幻之家”IBM公司开发的“家庭主任”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”等叫在我国的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的重点领域中，无线传感器网络及智能信息处理也被列为信息产业中7个主题之一叫目前的智能家居主要都是高成本产品，出现各种档次和百家争鸣的景象，其市场化普及尚需时日。我国的智能家居系统还处于从无到有的初级阶段，如何建立一个高效率、低成本、与国际标准接轨的系统已成为当前社会的一个热点问题。

在智能家居的发展中，目前还存在协议、标准、接口等不规范，家居内有线组网方式非常麻烦，而传统无线组网方式又太昂贵，系统运行不可靠、不稳定等问题。用无线传感器网络取代传统智能家居系统中以RS485总线或CAN总线的有线组网方式，无需施工布线，安装简便，可以方便地形成智能家居网络。传统家居系统和WSN家居系统的对比如表1所列。

2智能家居系统的功能分析

智能家居以住宅为平台，将与家居相关的安防、电器、节能、医疗等设备有机结合起来，并对其进行单独或集中控制管理，从而创造出高效、舒适、安全、环保的居住环境。主要的系统功能由以下一些子系统组成：

（1）可视对讲系统：包括呼叫户主、对讲、摄像、室内监视室外、室外密码开门等；

（2）照明控制系统：可提供灯光的调控、开关、场景控制；

（3）家居安防系统：即红外报警、窗磁门磁、传感器报警、远程监控等；

（4）电器控制系统：对窗帘、通风设备、空调器、红外家电进行控制；

（5）手持设备、PC控制：通过平板电脑、智能手机，网页浏览器随时随地控制家中设备；

（6）节能控制系统：自动监控能耗状况，对耗能进行管理,过载自动断电；

（7）网络视频监控：在有网络的任何地方，通过网页都可以看到家中的情景。

这些子系统主要是从功能的角度进行划分的，实际上,它们是一个整体，某些模块可能同时在几个子系统中发挥作用，而且各个子系统之间也可以建立非常紧密的联系。

3智能家居系统设计方案

本系统由无线智能网关、小区服务器、分布式家电控制、网络接口、控制终端设备等部分组成。系统功能设计如下：

(1)由各类传感器分别检测收集居室的温度、湿度、烟雾、CO、甲烷、安防参数以及电、气、水能耗等家居信息；

⑵将所有传感器节点采集到的信息上传到网关，由网关采集并转发数据到服务器；

（3）服务器后台接收到网关上传的数据后，将其转发到手持设备，并存储到数据库中，若前台页面需要显示相关数据,可以随时从数据库中读取；

(4)用户手持设备或远程PC的控制命令通过GPRS或Internet与服务器相连，服务器后台接收到相关的命令之后转发给网关，再由网关下发控制命令，以实现手机或远程PC控制设备的功能。

智能家居系统的核心部分是多功能网关，基于IEEE802.15.4E协议的无线传感器网络具有近距离、低功耗、低成本的特点，可以移植到多种嵌入式设备中。由于IEEE802.15.4E设备工作在2.4GHz频段，采用自组织方式组网，对网络内部的设备数量没有限制，新添加的设备节点会被网络自动发现，因而提升了网络的可靠性电图1所示为智能家居的网络拓扑图。

图1 智能家居网络拓扑图

3.1家庭网关的设计

家庭网关在智能家居中起着桥梁作用，可将家庭内部无线传感器网络与互联网建立连接，通过现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备进行联网，从而实现家庭设备的网络化，而嵌入式系统具有体积小、专业化强、配置要求低、使用简单、实时性强、成本低廉等特点。嵌入式网关就是把TCP/IP协议栈固化在单片机内，使单片机具有以太网接入功能的一种廉价的网络接入装置。只要微控制器对网络接口芯片进行控制和通信，并通过自主开发TCP/IP协议栈，把标准网络技术(TCP/IP)运用到嵌入设备中，就能在网络环境下的任何时间和地点对它进行监控。利用传统的Web和Internet远程监视数据，并对运行情况进行控制。

因此，本文提出了一种用嵌入式网关来实现家庭网络与Internet互连的方案，该方案选用Linux开发平台，以ARM11为控制器，集成蓝牙模块、网络模块、串口模块以及其外围基本电路，来研究单片机在以太网卡数据通信中的应用E其家庭网关通信图如图2所示。

3.2小区服务器的设计

智能家居小区服务器可分为后台运行的控制程序和Web工程文件两个功能部分。服务器后台接收到手机的控制命令后转发给网关，再由网关下发控制命令，以实现手持设备控制的功能。服务器收到网关上传的消息后，服务器后台将其转发到手持设备并存储到数据库中，这样，当前台页面需要显示各类传感器值时，就可以从数据库中读取。Web网页可以为用户提供家庭设备的管理，屋内情况的监控，家庭安防的布防撤防功能，以及环境检测传感器值的显示和工作电器的能耗情况显示。图3所示为小区服务器结构图。

系统中的监控主机可通过Web服务器接入Internet,其上位机交互界面采用JavaScript编写，并嵌入于HTML网页中。因此，只要在能连接到Internet的地方，就可以方便地通过计算机的Web浏览器连接到服务器。户主输入用户名和密码后,将进入本户监控页面，从而实现远程监控。视频监控系统是一种防范能力较强的综合安全系统，在前台页面中嵌入网络摄像机监控画面，就可以直观、准确、及时地显示屋内状况。

基于设计要求所建的数据库应当是一个具有大容量、可快速存取的动态数据库。系统选用SQLServer2005数据库实现数据的管理与维护。数据访问对象(DataAccessObject)提供了访问关系型数据库系统所需的所有操作接口，其中包括创建数据库、定义表、字段和索引，建立表间的关系，更新和查询数据库等，同时它还抽象数据源读取数据的方法，可以用任何Java数据访问API并进行处理。系统采用ODBC的方式实现与数据库的链接。ODBC是一种标准的数据访问途径。OBDC体系包括客户端、驱动程序管理器、数据库驱动程序和数据库服务器本身。这些构件形成一条管道，使命令能从客户端到达服务器，并使状态报告和数据返回给客户端。它采用的四层体系结构如图4所示。

图 4 ODBC 层次结构图

3.3智能家居WSN节点设计

智能家居WSN节点根据设备的不同,按照功能模块大致可以分为电源部分、主芯片、无线模块、红外家电控制模块、各类传感设备和系统执行单元等几个部分。各类传感节点按模块化设计，可以根据不同的需求进行不同的功能组合，以实现不同的功能。

（1）电源部分。主要为CC2430芯片、GM812X系列芯片、传感器芯片提供供电电压，并实现电源供电和电池供电两种供电方式的自动切换选择。

（2）主芯片。节点使用的主芯片采用三星的S3C6410(BGA封装)，WSN协调器CPU可选择CC2430,S3C6410与WSN协调器之间通过串口通信，以实现对无线传感设备的数据采集和管理等。

（3）无线控制模块。无线模块拟采用CC2530F256芯片，它是一款集成了8051内核和一个24GHz频段的RF收发器的SOC芯片，内部还集成了256KB的Flash、8KB的RAM,并提供了2路UARTS、可支持7~12位分辨率ADC，可编程输出功率达+4dBm，可最大化通信范围的101dBm链路预算［7］。除时钟电路外，其他外围电路包括外围接口电路、射频匹配电路以及天线等。

（4）红外家电控制模块。红外家电控制器采用基于ARM11内核的S3C6410处理器。通过WSN模块收发智能家居WSN网络的家电控制信息，经处理后控制相应的家电，并通过驱动USB接口的3G上网卡接入3G网络。

（5）各类传感设备。传感器主要包括安防类和环境状况监控类两种。安防类主要有可燃气体的探测(如CO、C2H4)、烟雾探测、人体红外探测、门窗状态探测等；环境状况监控类主要有温湿度、照度等。通过各类传感器的数据采集，可读取智能家居的各项参数。

（6）系统执行单元。系统执行单元用于实现智能家居系统对实际设备的控制，实现家庭照明系统、家电系统和安防设备的控制。主要的输出单元模块有数字量信号和模拟量信号,其中包括各类无线的红外信号和高频的射频信号。

4结语

基于WSN组建的智能家居网络能够对家居环境进行很好的监控，而且组网方便，能够将嵌有无线传感器的家具、家电和其他日常用品同互联网相连，实现远距离控制。事实上,智能家居为我们提供了一个舒适、方便和人性化的环境。虽然目前WSN技术还存在一些问题，但其布置灵活、扩展便捷、无所不在的优越性和发展趋势都是无法阻挡的,智能家居领域从有线走向无线的总趋势是无法逆转的。智能家居企业只有基于自身产品和技术，发挥自身优势，大胆创新，才能在物联网时代赢得一席之地。

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