基于无线传感网络的智能家居系统设计与实现

2020-02-03林秀丽

电子技术与软件工程 2020年14期

林秀丽

（广州华夏职业学院广东省广州市 510935）

随着5G 时代的到来，计算机网络技术的开发与运用进入了新台阶，计算机网络技术普遍运用到人类的日常生活、工作中、学习中，高端技术的突飞猛进，智能家居适应时代需求，特别是近几年，发展迅猛，加之互联网技术的助力，全方位推广，家居环境有了改天换地的变化，让生活更快捷、更智能、更方便。智能家居的发展与变革，是以网络为基础，运用有线与无线网通信技术，目的让家居环境成为一个统一的智能体系，使用方便，那设计时就要考察居住实情况，在协调统一的原则下，设计综合布线、家电控制、安防、音视频系统等，这样就完全可以达到将整个居住环境置入智能管理，在这高效的时代，无疑是为日常生活减少了精力与时间的开销，同时提供了安全、高效、节能、便捷[1]。

1 智能家居基本模块简述

1.1 中央控制管理系统

智能家居的大脑是智能家居中央控制管理系统，可谓其重要性，家居所有设备的所有功能，以及各功能间的连接都必须有中央控制管理系统操控，同是协调各模块功能配合运转，目的是使整套家具不仅达到智能效果，最重要的是效果更完美。

运行在PC 端或手机端的嵌入式中央控制管理系统软件，用户要全方位管理整个智能家居，可以通过该系统实现。

例如：查询或是调节室内家居当前状况可以通过智能中央控制管理系统的交互功能进行，还可以通过该交互系统，预设自己习惯或是喜欢的家居运行情交。如对室内空调预设，达到特定时间特定温度自动开启，对花园草木达到预设参数会自己灌溉等。

1.2 网络系统

Zigbee 技术的主要有以下特点：

（1）低功耗：在低功耗待机状态下，两节5 号干电池可以使用6 至24 个月；

（2）低速率：ZigBee 以20 至250kbit/s 的较低速率工作，满足低速率数据传输的要求；

（3）延迟短：ZigBee 的响应速度快，从睡眠状态切换到工作状态通常仅需要15ms，节点访问网络仅需要30ms，从而进一步节省了能源；

（4）近距离：有效覆盖范围为10-100m，基本可以覆盖普通的家庭或办公环境；

（5）容量大：ZigBee 可以采用星状，片状和网状的网络结构，最多可以形成65,000 个节点的大型网络；

（6）低成本：ZigBee 的简单而紧凑的协议大大降低了其对通信控制的要求，并且ZigBee 免收协议专利费；

（7）高安全性：ZigBee 使用AES-128 加密算法提供数据完整性检查和身份验证功能；

图1

（8）免许可证频段：直接序列扩频用于工业科学医学（ISM）频段，2.4GHz（全球），915MHz（美国），868MHz（欧洲）。

家庭网络系统，其中最重要的一个环节，向用户发送设备的当前运行状态，接收中央控制系统发出的指令[2]。ZigBee 无线传感网络、将智能家居、中央控制系统，通过家庭网络系统连成一个有机的整体，实现家居全方位统一管理。

1.3 安全防控系统

智能家居系统，民众一直以来都是迫切需求居家安全，安全防控，5G 时代的来到，利用Wi-Fi，5G 网，基于ZigBee 无线传感网络技术搭建家居安全防控系统，集系统家居内外环境的湿度、温度，气温、空气质量检测，集报警、门禁，监控、自动控制功能于一体，还家居场所安全[4]。

1.4 采集音频视频系统

科技让生活便捷，一部智能手机就可操控家里一切，如：时刻都可监控家中安全，给小偷警告，给亲朋好友开门，在路上就可开空调等，智能家居有着无限潜能挖掘。

智能家居领域必须要广泛使用音视频技术，最简单的应用--视频监控，使用音视频技术是不可避免的，其中视频采集、视频编码、视频解码、视频传输、音频采集、音频编码、音频解码、音频传输用的最多。

智能家居控制系统，使用多种技术—人工智能技术、建模技术、机器学习技术等完成家居设备智能效果。智能家居的控制中用到的人脸识别技、图像识别技术、声音识别技术，这些技术都归结为音频视频采集系统的强大功能。人脸识别，是通过摄像采集人脸的图像或视频，在大数据中可以跟踪、检测到采集的人脸，人脸识别最主要的四个流程：人脸捕捉、生成特征值、与人脸特征值库进行对比，大于阀值则比对成功。采集人脸的基本流程如图1。

2 基于ZigBee的智能家居系统设计

2.1 ZigBee技术

ZigBee 技术是双向无线通讯技术，特性是低成本、低功耗、低复杂度、低速率、近距离，特别适合传输速率不高、距离较短的智能家居各设备间进行数据传输，以及有低反应时间数据、间歇性数据、周期性数据传输的应用。

ZigBee 是类似于CDMA 和GSM 网络的一种高可靠的无线数传网络； ZigBee 是一个无线数据传输网络平台，只要在网络范围内，每一个ZigBee 网络数据传输模块之间，都可以相互通信，每个网络节点间的距离，可以从标准的75m 无限扩展；ZigBee 网络，是为自动化控制数据传输而建立，必须具有简单、方便、可靠、价格低的特点；每个ZigBee 网络节点本身可以作为监控对象，除此之外，每一个ZigBee 网络节点（FFD），还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD），无线连接[5]。

在实际运用的过程中，最主要的，是注意在 868MHz、2.4GHz 及 915MHz 三个不同频段，所对应的20kbit/s、40kbit/s 及 20kbit/s 三个传输效率[1]。

2.2 智能家居系统中的无线传感器网络技术

对智能家居进行控制的是基于ZigBee 无线传感网络的N 个传感器，这些传感器节点运用ZigBee 无线技术自组成网络，主要任务是对室内环境的相应感知对象信息进行检测探索感知，然后采集处理。家居网关的作用就是用来接收传感器输送过来的采集信息，具有智能功能客户端PC 机或手机的作用是通过互联网或GPS 接收传达过来的信息，用户所看到的信息是智能家居系统控制管理界面所呈现的结果。

通常由智能家居网关、无线传感器、智能终端三部分构成智能家居传感系统。

2.3 智能家居系统在ZigBee 无线传感器网络环境下的设计

2.3.1 需求分析

要让用户的现代居住条件便捷，最关键因素就是智能家居系统的设计。智能家居设计一般从四个环节展开，居住环境安全问题、居住日常能源节约问题、多个传感器布置问题以及居住内外环境问题。

（1）家居环境。监测家居环境，这样可以让用户能够详细获取居住环境所处位置的各种与其相关的信息。

（2）传感设备。每个传感设备都是一个节点，远程控制是传感器的使命，用户体验的所智能控制都是传感设备的功劳。

（3）家居安全。家居处环境有时可能会影响家居安全的信息，当危险与危害情况出现时，系统会及时发出相应的报警信息，将损失、风险降到最低，为安全做好保障。

（4）家居节能。用户可以监测并获取家居设备耗电信息，为家居节能提供建议与措施。

2.3.2 分析功能模块

（1）传感网络。传感网络是智能家居系统的筋络，感知功能与接收指令功能是其两大主要任务，各设备节点所有相关信息只有传感器感知，用户指令传感器接收后控制家居设备。

（2）服务器。服务器是信息数据存储中心，感知的家居环境参数信息都保存在服务器，用户通过客户端实时查看一些信息以及家居环境的历史信息。

（3）客户端。装有智能家居应用程序软件或是APP 的PC 机或是手机，浏览家庭智能设备及家居环境情况。（4）网关。它是连接服务器与用户端的核心节点，发送感知信息给用户，接收用户指令给服务器。

2.3.3 系统设计

（1）设备控制器是智能家居系统在设计时核心部分，基于 ZigBee 无线传感网络，对网络组建与设备的管理控制，最主要的是有效的对设备控制器进行设计

（2）网络数据传输，网络能耗能不能够节约，路由协议设计是关键，但是，开关控制与其它功能都要注重完善。

（3）为实现点对面的组网，选用ZigBee 无线模块CC2420 芯片，数据传输率可达到 250kbps，完成对网络协调器节点设计。

（4）通信设计，是由TXFIFO 寄存器和 RXFIFO 寄存器，用来访问发送和接收FIFO 缓存区数据，无线通信的程序重要功能就是数据发送与接收。

（5）微处理器模块的设计。智能家居系统设计中所用到的芯片，终为无线收发芯片，数据以及控制信号的传输载体是通过spa 总线微处理器完成。

2.4 终端软件设计

设计采集节点的终端软件，采集家庭环境的相关数据，发送到协调节点，接收由监测网络中心发送过来的控制指令，并处理这些指令达到智能目的。操控信息要准确的发送到终端节点，在设备操作功能与ZigBee 网络通信功能间，建立命令，传输链接，即在网络通信功能与应用程序间，建立的接口。

3 基于ZigBee无线传感网络的，智能家居系统的实现分析

智能家居监控系统，设计的初衷，是完成监控系统，整体功能的实现，试验测试中，将设计的软、硬件结合，验证系统的整体性能，通过PC 客户端和手机端对分布于室内的监控终端与协调节点进行测试。实验过程中，完成对室内空调、台灯、窗帘、门禁、花园等一系列监控节点进行一一测试，验证智能家居监控系统功能在ZigBee 网络的实现情况。