基于无线传感的智能家居综述

赵华军+陈亮存+陆源

（钦州学院电子与信息工程学院 535000）

摘要：针对以往的嵌入式智能家居在实际应用中的缺点和不便，提出了一种便捷灵活的无线传感器网络系统，本系统和以往的智能家居比起来具有成本低、耗能少等优点。通过本系统的最终目的是用户可以通过手机、PC等终端对家中的电器进行远程控制。

关键词：智能家居；远程遥控；无线传感网

引言

信息时代，智能产品在慢慢的融入我们的生活中，在我们的生活中也起到的越来越重要的作用。越来越多的场合、设施也慢慢的有往智能化的方向发展。自物联网（Internet of Things）概念提出以来，就掀起了以智能家居为代表的物联网浪潮。智能家居顾名思义是以家庭为平台，充分利用布线技术、无线传感器网络、无线通信技术和自动控制将家中的设施或者电器通过无线网络相结合起来，构成一个物物相联的智能家居系统。本文主要是对无线传感器和无线通信技术在智能家居的应用方面的概述。

一、智能家居发展前景

智能家居是物联网的重要体现之一，现在越来越多的智能产品融入了我们的生活中，带给了我们不少的方便，同时也随着物质财富的不断发展，人们对家居生活也提出了智能化、舒适化和方便化等要求。这种智能化的家居是在现代美学和人们对现代社会的生活的不断提高下慢慢发展起来的，而且现在家居的智能化已经成为了现代生活讨论的一个热门话题，是现代生活的一种标志。现在由于物质财富的不断发展以及设计智能家居系统的成本相对较低，再加上现在家中的电器也越来越智能。现在智能家居的发展前景也正在慢慢的变大中。

二、无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的重要技术形式[1]。无线传感器网络由若干个传感器节点构成的。

2.1传感器节点组成

传感器节点是无线传感网络的重要组成，负责将电器的状态或者周围环境的状态进行收集的重要设备。因为所收集的信息不一致，传感器节点的功能结构也不完全一样，但是基础的结构是一致的，比如电源模块、数据传输模块和数据处理模块。处理器一般是使用嵌入式的CPU。比如由RFM公司有距离短、功耗低的TR1000的无线通信模块组成的数据传输单元。传感器节点一般由获取数据模块、进程模块、数据传输模块和电源四个模块部分组成[2]。四个模块的关系如图1所示：

2.2网络结构体系

根据国际电信联盟的建议，物联网自下向上一般可以分为五个层次：感知控制层、接入层、互联网层、服务管理层和应用层[3]。智能家居作为物联网的重要分支之一，其系统架构也应具备物联网的五层协议。

2.2.1感知控制层：

感知是感知周围的环境和电器的参数值。控制主要是控制电器的开关状态或者是通过调节电器的数值来对周围的环境进行调控。主要的感知设备主要有：温度传感器、烟雾传感器、湿度传感器、有毒气体传感器、人体红外传感器、雨滴传感器等感知设备。控制设备主要有智能插座、智能开关等。除此之外，感知控制层还应该包括一些本身自带有通信接口的电器，例如智能空调、智能洗衣机和带有网络接口的摄像机等。

2.2.2接入层：

接入层主要的设备是物联网网关，由于在感知控制层的设备涉及到的无线通信技术不一致，所以物联网网关包含多种无线通信的通信接口。网关主要是负责将感知控制层的设备接入互联网，一方面将感知层控制层的终端设备的数据进行收集和处理后发送到服务器，另一方面是将服务器更新的数据进行接收、处理后发送到相应的控制终端上，实现远程控制的功能。

2.2.3互联网层：

互联网层的主要功能是将物联网网关连接到小区里面的局域网继而接入互联网或者跳过小区的局域网直接接入运营商的通用网络设备前者可以是接入家里的交换机或者小区的交换机以及是家里的路由器等网络设备；后者可以是接入ADSL调制解调器、Cable Modem、无线路由器或者光纤路由器等。

2.2.4服务管理层：

服务管理层主要包括应用的服务器、WEB服务器以及数据库服务器。应用的服务器主要是负责与每个物联网網关定时通信，通过物联网网关来获取感知控制层的设备数据，然后将数据保存到数据库服务器中。Web服务器主要是负责将这些数据发布到网络上，提供给用户通过浏览器远程查看设备的状态，同时用户也可以通过Web服务器来对家中的节点终端进行控制从而控制电器。

2.2.5应用层：

应用层主要含有电脑、手机和智能终端设备等。用户可以通过智能手机上的APP或者是浏览器来对家中的设备进行控制或者查看家中电器的状态、家中环境的状况等。由于不同的手机有不同的操作系统，因此应该根据相应的平台设计相应的APP。Web服务器采用了动态的网页生成技术，真正的后台在Web服务器上，所以用户不需要划分操作系统平台，用户只需登录相应的网址后可便可对家中的设备进行控制。

三、常用的无线通信技术

3.1 ZigBee：

ZigBee无线通信技术正在慢慢的被大家所认可。 ZigBee使用最多的有2.4G、915M和868M三种频率段，这三种频率的传递速度分别是：250Kbits、40Kpbs、20Kpbs，有效的传输范围从十米到一百米不等。用户可以根据不同的环境情况选择相应的频率。ZigBee与其它通信技术相比较，有廉价性、传输速率低、高效率性、安全性高、数据传输量大和功耗低等优点。

3.2蓝牙：

蓝牙一般的通信范围是半径十米内，就算是最大2.45赫兹ISM波段的蓝牙也就是半径三十米的范围半径，传递的速率为2Mbps。蓝牙的主要有使用方便、通信过程稳定和全程不占用有线网络的资源的优点。

3.3红外线技术：

红外技术不需要接收器接收，操作的时候将遥控器对着设备的方向操作即可，是一种点对点的传输技术。优点是使用方便、功率低和成本低以及保密性等优点高。缺点是传输距离短且中间不能有实物遮挡，传送的速率不能控制。

3.4 Wifi：

WiFi（Wireless Fidelity，无线保真技术）是一种可以将个人电脑、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，是距IEEE802.11的别称[4]。WiFi在开阔区域的通信半径有300米左右，在封闭的场所通信半径也有100米左右。WiFi是一种短程的无线传输技术，能够在它传输的范围内给用户提供接入互联网的无线电信号提供互联网的访问。WiFi的传输速度快，耗能高，可以用来传输大数据。

四、系统总体设计

根据物联网的5层网络结构和上面介绍的四种无线通信技术，无线传感网在智能家居中的物理结构图如图2所示[5]。物联网网关接受到服务器的指令后，将指令转发到相应的终端节点，通过控制终端节点的继电器来控制电气设备的状态。本系统主要是采用网蜂公司的物联网开发平台，图3为该开发平台使用的继电器的电路图。

4.1蓝牙平台

通过蓝牙模块、手机或电脑作为主机，连接另一蓝牙模块（从机），蓝牙模块（主机）通过按键S1控制发送数据给从机。模块（从机）接收到信息后执行控制继电器指令，从而控制台灯。整个过程 在协议栈（BLE--CC254x—132）中进行。

4.2 ZigBee平台

本设计的传感器都是基于ZigBee平台的，传感器节点将传感器收集的数据通过协议栈将数据发送到协调器。协调器可将数据在LCD上显示出来或者将数据发送到物联网网关如图4所示[6]。下面是本设计常用的传感器。

4.2.1温度传感器DS18B20

DS18B20数字传感器封装后可以应用于多种场合，具有接线方便、耐磨耐碰、体积小封装形式多样，可用于各类狭小空间设备数字测温和控制领域。硬件电路图如下。

4.2.2烟雾传感器

烟雾传感器是通过检测烟雾的浓度状况来实现火灾防范，原理是给IO口一个高低电平来反映外界情况。电路原理图如下。

4.3 WiFi平台

本系统设计中使用的是瀚特公司的智能插座，控制过程主要是通过手机APP来控制智能插座中的继电器的状态从而来控制插座的的通电状态。智能插座通過家中的无线WiFi接入网络，手机通过网络可以在APP上远程控制插座的状态，还可以查看电器的耗电情况。

五、总结

本设计主要是概述无线传感网络在智能家居中的应用，介绍了智能家居的五层网络结构体系的功能，前景以及现在比较流行的几种常用的无线通信技术的优缺点。系统设计以ZigBee平台为主，蓝牙平台和WiFi平台为辅。传感器节点和控制节点大多都是在ZigBee平台上实现。系统设计的比较简单，功能还不是很完善。

参考文献

[1] Liu Q， Huang X H， and Leng S P. Deployment strategy of wireless sensor networks for Internet of Things[J].China Communications， 2011， 8（8）： 111-120.

[2] 周芳媛 . 基于ZigBee技术的智能家居系统设计[D].大连理工大学，2013.

[3] ITU NGN2GSI Rapporteur Group，Requirements for support of USN applications and services in NGN environment[R].International Telecommunication Union，Geneva，Switzerland，2007.

[4] 黄贻境，陈帅华，周芳等.基于WIFI航通巧的智能家居系统[J].电子世界，2013（14）：82-82

[5] 申斌，张桂青，汪明，李明. 基于物联网的智能家居设计与实现[A].自动化与仪表。2013（2）：

[6]孙越，尚维来，曹越. 基于ZigBee技术的智能家居无线传感网络的设计[J]. 计算机光盘软件与应用，2012，（20）：210-211.