曹樹(shù)偉

（赤峰學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

隨著人類對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用，我們的日常生活中越來(lái)越多的運(yùn)用到了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其是近年來(lái)將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛的運(yùn)用于智能家居，使得我們的家居生活變得更方便，更快捷，實(shí)現(xiàn)了生活智能化。智能家居的運(yùn)用主要表現(xiàn)在利用，有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通信技術(shù)，結(jié)合室內(nèi)家居的綜合布線系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、音頻視頻系統(tǒng)、燈光窗簾控制系統(tǒng)以及家電控制系統(tǒng)，將所有室內(nèi)的家電家具設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一信息化管理，從而為我們的日常生活中的家具提供更安全、更便捷、更節(jié)能、更高效的運(yùn)用[1-2]。

1 智能家居基本模塊介紹

1.1 智能家居中央控制管理系統(tǒng)

智能家居中央控制管理系統(tǒng)相當(dāng)于室內(nèi)家居的綜合體的大腦，主要負(fù)責(zé)對(duì)室內(nèi)不同家具的各項(xiàng)功能與模塊進(jìn)行控制，在合理操控各項(xiàng)家居的功能板塊，還能對(duì)不同家具之間的功能進(jìn)行協(xié)調(diào)配合工作，可以使全套家具的運(yùn)用效果更完美。中央控制管理系統(tǒng)是一種，運(yùn)行在PC端或者嵌入式主機(jī)的軟件系統(tǒng)，用戶通過(guò)該系統(tǒng)可以對(duì)智能家居進(jìn)行全方位的管理。例如通過(guò)該系統(tǒng)的交互功能可以實(shí)時(shí)查詢室內(nèi)家居的運(yùn)行狀況并進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)用戶還可以根據(jù)自己對(duì)相應(yīng)家具的使用習(xí)慣進(jìn)行模式預(yù)設(shè)。對(duì)家里的智能空調(diào)進(jìn)行預(yù)設(shè)，可以讓家庭室內(nèi)溫度達(dá)到20℃以上時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)智能系統(tǒng)，維持室內(nèi)平均溫度[3-4]。

1.2 家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

將ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于智能家居中最重要的一個(gè)體現(xiàn)就是家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)置，運(yùn)用ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)將各項(xiàng)家居設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)鏈接節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)傳送家居的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)接收中央控制管理系統(tǒng)發(fā)出的控制指令。所以通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得中央控制系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能家居三大主體部分成為一個(gè)有機(jī)的整體，以實(shí)現(xiàn)全方位統(tǒng)一管理。[5]

1.3 家庭安全防控系統(tǒng)

家庭安全防控系統(tǒng)配備有特定的傳感器，通過(guò)ZigBee傳感器，可以對(duì)家庭室內(nèi)的空氣溫濕度，空氣組成成分以及含量，監(jiān)控區(qū)域的視頻音頻信息按照預(yù)先設(shè)報(bào)警模式進(jìn)行安全報(bào)警。

1.4 音頻視頻采集系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于室內(nèi)智能家居的控制，除了傳統(tǒng)的紅外遙控以外，現(xiàn)在的控制技術(shù)變得越來(lái)越智能化，例如聲音識(shí)別技術(shù)、人臉識(shí)別技、圖像識(shí)別技術(shù)紛紛運(yùn)用于對(duì)智能家居的控制，而這些技術(shù)的運(yùn)用全部歸結(jié)為音頻視頻采集系統(tǒng)的強(qiáng)大功能。

2 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee技術(shù)

“ZigBee”按照英文翻譯稱之為“紫峰”，其命名靈感來(lái)源于蜜蜂的舞蹈，代指可以全方位的實(shí)現(xiàn)信息傳遞。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中運(yùn)用ZigBee技術(shù)，需要按照無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，可以將多個(gè)性能可靠的傳感器組進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)建，達(dá)到對(duì)信息節(jié)點(diǎn)全面掌握的要求?；赯igBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)具有通信功耗低、通信效率高、成本經(jīng)濟(jì)良好、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、安全性能顯著等特點(diǎn)，市場(chǎng)潛在優(yōu)勢(shì)巨大。在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中最主要的是注意在868MHz、2.4GHz及915MHz三個(gè)不同頻段所對(duì)應(yīng)的20kbit/s、40kbit/s及20kbit/s三個(gè)傳輸效率[6]。

2.2 智能家居無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

對(duì)智能家居進(jìn)行控制的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由設(shè)置在室內(nèi)的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，然后將ZigBee無(wú)線技術(shù)運(yùn)用于這些傳感器節(jié)點(diǎn)，使其構(gòu)成功能全面的自組織網(wǎng)絡(luò)，主要功能包括感知、采集和處理室內(nèi)環(huán)境的相應(yīng)感知對(duì)象信息，例如室內(nèi)溫度的信息感知、采集與處理，光線強(qiáng)度信息的感知、采集與處理。最后將得到的所有信息輸送到智能家居網(wǎng)關(guān)，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者GPS功能將信息傳達(dá)到智能系統(tǒng)所在的PC端或者手機(jī)，以智能家居系統(tǒng)控制管理界面的形式將所有信息呈現(xiàn)到用戶眼前。常用的智能家居傳感系統(tǒng)通常有無(wú)線傳感器、智能家居網(wǎng)關(guān)和智能終端PC端或是智能手機(jī)三大部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 智能家居傳感系統(tǒng)Fig.1 Intelligent Home Sensing system

2.3 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)核心部分是設(shè)備控制器，合理有效的對(duì)設(shè)備控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)組建與設(shè)備的管理控制起到促進(jìn)作用[7]。

(2)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是整套智能系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，合理的設(shè)計(jì)路由協(xié)議能夠有效的節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗?；赯igBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，既要注重功能的完善，又要能夠完成開(kāi)關(guān)控制的功能。

(3)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，選用的ZigBee無(wú)線模塊芯片主要運(yùn)用CC2420芯片，運(yùn)用該芯片使得數(shù)據(jù)傳輸率能夠達(dá)到250kbps，可以有效的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)面的組網(wǎng)。[8]

(4)在通信設(shè)計(jì)方面，CC2420訪問(wèn)FIFO緩存區(qū)有兩個(gè)寄存器――RXFIFO寄存器和TXFIFO寄存器，分別用來(lái)訪問(wèn)接收和發(fā)送 FIFO 緩沖區(qū)。無(wú)線通信的程序是通過(guò)系統(tǒng)初始化以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收幾個(gè)重要功能組成。

(5)微處理器模塊的設(shè)計(jì)?；赯igBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的芯片為無(wú)線收發(fā)芯片，數(shù)據(jù)以及控制信號(hào)的傳輸載體采用的是sp2總線，所以要選用sp a總線微處理器。

2.4 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，所設(shè)計(jì)的采集節(jié)點(diǎn)主要功能是采集家庭環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收與處理監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送過(guò)來(lái)的控制指令?？刂乒?jié)點(diǎn)的主要作用就是接收控制命令，對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行命令操控，主要運(yùn)用RF消息接收功能進(jìn)行通訊。要使終端節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確的接收操控信息，完成相關(guān)的指令，就必須在ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信功能以及設(shè)備操作功能之間建立命令傳輸鏈接，即在應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)通信功能之間建立的接口。

3 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分析

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)才是設(shè)計(jì)的初衷，本節(jié)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行驗(yàn)證，系將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)按照分布于室內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)PC 客戶端和手機(jī)客戶端的功能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)界面空調(diào)控制按鈕可以對(duì)室內(nèi)空調(diào)溫度進(jìn)行控制，通過(guò)臺(tái)燈控按鈕對(duì)臺(tái)燈的亮度進(jìn)行控制，還能點(diǎn)擊超智能按鈕，根據(jù)自己的生活習(xí)慣，設(shè)定參數(shù)，讓系統(tǒng)自主的為用戶服務(wù)，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了PC 客戶端的功能。進(jìn)一步對(duì)終端監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，估算出了節(jié)點(diǎn)的工作壽命，為降低系統(tǒng)功耗提供參考依據(jù)；最后在室內(nèi)對(duì)系統(tǒng)整體功能進(jìn)行測(cè)試，包括PC 客戶端和手機(jī)客戶端的功能測(cè)試，驗(yàn)證了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)功能的可實(shí)現(xiàn)性。

4 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前智能家居系統(tǒng)建設(shè)對(duì)于用戶側(cè)通信的需求，該方案可使智能家居系統(tǒng)獲得可靠的本地通信，對(duì)于智能家居系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展具有重要意義。