改进的退避算法在智能家居控制系统中的应用

吴房胜，徐金秀，施冬冬，陈业慧

随着经济技术的快速发展，人们对居家生活舒适便捷的要求越来越高.在当今物联网时代，智能家居能够满足人类的要求，通过科技创新，使人类生活得更加节能环保、安全方便.随着人们需求的增加，智能家居必将会成为中国的主流行业之一，市场发展前景非常广阔［1］.

1 系统概述及退避算法原理

本系统通过模拟真实的家居环境，搭建一个智能平台.平台上使用了火焰传感器、温湿度传感器、热释电红外传感器、红外对射传感器、光照传感器及烟雾传感器等，通过各种传感器对室内环境实时采集，利用CC2530主控芯片，实现数据处理、无线传输及智能控制等.此外，还安装了摄像头、风扇、电灯和报警灯等设备进行现象模拟，当感测到火焰、烟雾气体、外来人员入侵等突发情况时，ZigBee 芯片通过继电器模块，控制报警器、风扇、摄像头等器件，摄像头进行视频拍摄，并将视频上传到云平台存储；家庭PC 端可通过电信网关，通知房屋主人家里有人入侵或者发生火灾，并通知房主拨打火警电话，使得家庭在安全防卫方面更加智能便捷.同时移动端的安卓APP 和家庭PC 终端均可获取家庭的各种信息，并进行家庭突发情况的监控和相应的管理，其中安卓APP 软件还可通过摄像头对门口人员外貌进行识别并可远程开门，避免了户主不在家时，家中来客人却只能在门口等待的尴尬.该系统的结构框图如图1所示［2-3］.

图1 系统结构框图

本系统用到多个数据采集的传感器，如温湿度传感器、光照传感器、烟雾传感器等，采集到的大量数据进行无线传输时，难免会出现多个节点同时传送数据而发生数据碰撞的现象，这需要限制各节点对信道的访问频率，故需要采用退避机制，来降低碰撞的发生.本系统采用二进制指数退避（BEB）算法中的时隙CSMA/CA（信标使能网络）算法，并对算法进行改进，该算法主要实现无线信道的访问，是一种免冲突载波检测的多路接入算法.算法中有NB、CW和BE三个变量需要进行相应的维护.NB为节点刚接入信道时，即数据帧开始进行传输之前，执行时隙CSMA/CA算法所需退避的次数.CW为竞争窗口的大小，是数据帧传输之前，连续检测到的空闲信道的次数.BE是节点的退避指数，其值和CW关联［4］.

该算法是先初始化在MAC 层的NB和CW的值，并判断电池电量是否用尽，再初始化不同的BE值.然后等待下一个退避边缘到来，再进行随机退避，随机延迟一个随机数时隙的退避周期，该随机数在［0，2BE-1］之间产生.如果超帧CAP阶段剩余的时隙小于退避的时隙值，则停止当前退避计时，下一个超帧CAP开始时再重新执行之前的退避计时.随机退避结束后，进行CCA信道检测.如果CCA 信道不为空，CW、NB和BE三者重新赋值，CW=2，NB=NB+1，BE=min（BE+1，amaxBE）.然后检测NB值是否大于最大退避次数值，如果大于，则数据发送不成功，访问失败，否则就再次随机延迟，重新进行退避检测.如果CCA信道为空，执行CW=CW-1，再判断CW是否等于0，若是，表明数据访问信道成功，可以发送数据；若否，则返回到CCA 信道检测任务，重新检测.

该退避算法解决数据碰撞问题是通过设置退避指数，改变竞争窗口值实现，当退避指数达到极限值，再增加退避次数重新传输.该算法有两个方面的不足，首先是BE值的设定问题，BE在初始化时的值为macminBE，未进入信道时该值随机退避在0～2minBE间的一个周期，如果网络节点少，则第一次随机延时的BE值会选择过大；如果网络节点多，BE值需要多次进行加1，会导致网络功耗增大.其次，本系统是基于智能家居系统的场景，该系统中的烟雾、火焰等报警信息比较重要，在信道中需要优先传送.但上述算法对数据的传送都是平等的，温湿度、光照等非重要的信息可能会先竞争到信道中，进行传送，而更重要的信息可能无法优先传送［3］.

针对上述问题，本文对CSMA/CA 退避算法从三个方面进行改进.第一，改变NB的大小.由于很多节点同时访问信道时，发生碰撞概率增大，故降低NB的极限值能够降低重传的概率.如果网络中节点数量较多，NB极限值设小一点，反之，NB极限值设大一点.第二，改变BE的大小.BE值的大小由各数据包的优先级来决定.一旦发生数据碰撞，开始随机延迟，随机数不从0～2BE中间选取，而在2BE+1～2amaxBE中间选取该值一个周期的随机时隙.第三，改变CW的大小.采集数据后，对每个数据包进行优先级的设定.不同优先级的数据包，对应不同大小的CW，如将优先级别高的CW值设为1，优先级别低的CW值设为2，则优先级别高的数据包对信道检测的时间会变小，降低了网络的功耗［5］.

2 硬件设计

该系统对信号的采集及控制采用CC2530F256芯片，该芯片将射频收发功能与51 内核集成到同一芯片中，是一个独立的片上系统.系统中烟雾传感器采用MQ-2烟雾传感器，可检测家庭天然气、酒精、一氧化碳等气体；热释电红外传感器采用HC-SR501，该传感器功耗低，感应范围可达7 米距离；温湿度传感器采用SHT10 集成芯片，该芯片采集精度高，稳定性高，功耗低；火焰传感器采用R2868 火焰传感器.各类传感器将采集到数据传送给CC2530F256 主控芯片，芯片将采集到的信号经模数转换并自组网，控制电灯、风扇、报警器电动门锁等器件，并将数据传送到PC 终端，PC 终端存储传感器采集的数据及视频信息，并控制电信网关，实现自动拨打电话功能.安卓移动端可以从云平台中获取当前采集的动态数据、视频数据等，可随时查看当前数据，并可通过摄像头对门口人员外貌进行识别，实现远程开门［6］.

本系统对智能家居搭建了一个模拟平台，如图2 所示.所有传感器和控制器件均安装在平台上，平台上方从左到右分别是四个ZigBee 模块，其中三个附带继电器模块，第二个附带温湿度模块，最右边是摄像头；中间一行是风扇、灯泡等器件及烟雾传感器；最下面一行从左到右分别是红外对射模块、两个ZigBee 模块（各自集成光照传感器、热释电红外传感器等）、数字量I/O模块.

图2 平台搭建实物图

3 软件设计

针对前面所述改进的退避算法，其软件流程图如图3 所示.初始化后，为减少重传次数，先要判断网络负载情况，若较大，初始化较小的NB极限值，若较小则初始化较大的值，然后根据优先级高低设置NB与CW的值，高优先级CW=1，低优先级CW=2，再判断电池电量是否用尽来设置不同的BE值，等待下一个退避边缘后进行随机退避.退避结束后进行CCA 信道检测.若信道忙，CW根据优先级高低重新设为1 或者2，NB重新自加1.只要NB的值未超过上限值，则在［2BE-l，2min（BE+l，amaxBE）-1］间随机延迟一个周期，从而减少不必要的碰撞，降低网络功耗，若超过，数据发送失败.若信道空闲，CW自减1，再判断CW是否为0，若是，数据发送成功，若否，则重新进行新一轮退避检测.

图3 改进的CSMA/CA退避算法流程图

该系统的软件分为三个部分，第一部分是下位机CC2530F256 单片机程序的编写，程序编写采用模块化编程，方便移植，主要完成对各类传感器数据的采集处理，并将数据传输给上位机.第二部分是安卓软件APP开发，通过安卓软件设计显示监控界面及采集的数据.第三部分是物联网云平台的搭建，实现视频及采集数据的存储与管理［7］，该系统整体控制流程图如图4所示.

图4 系统控制流程图

4 测试与分析

该系统模拟平台搭建完成后，对所有传感器及ZigBee模块进行通电检测，确保所有模块正常工作.传感器模块采集多路数据，经过CSMA/CA退避算法处理，将信号上传给终端，终端显示及控制界面如图5所示，从图5中可以看到温湿度、红外、火焰、可燃气体等数据，该数据能稳定并可实时显示，还可实时控制开关门、开关灯、开关排气扇和窗帘等.

图5 PC终端测试界面

在CC2530控制模式下，当发生火情时，家中的排风扇会自动打开，减少室内烟雾的浓度，可以让户主更加安全地逃离，同时PC 终端通过电信网关报警，如果户主在外，安卓APP 端也会通知家中发生火情，避免家中有人但没有觉察到火情而产生危险；气体传感器会实时检测可燃气体含量，当气体浓度达到设定值时，排风扇会自动打开；当有障碍物挡住平台上红外对射时，红外对射数据显示为1，并且提示有人入侵，入侵界面如图6所示.

图6 入侵界面

手机端的AAP通过安卓软件开发，如图7所示，注册账户并登陆成功后，进入监控界面，该界面上有各个传感器采集到的各项数据，可实时显示室内温度湿度，以及家中是否有火灾发生，厨房是否有燃气泄漏等.当摄像头检测到门口有物体移动时，摄像头可进行自动拍摄，并将图像数据发送至手机移动端，如果户主认识图像中的人，可以直接通过手机进行远程开门.

图7 手机安卓端监控界面

5 总结

本系统是基于ZigBee设计的智能家居，利用各种传感器采集数据，理论上采用改进的退避算法降低信道竞争时间，减少数据重传，提高数据吞吐量及传输效率，降低了网络功耗.具有采集精度高，处理速度快并可无线组网传输等功能，完成了视频监控、数据远程监测、远程开关门等功能，实现电脑和手机双重监控，保障人们的生活质量，产业前景十分广阔.