基于无线传感网的智能家居环境控制系统设计与实现

2021-04-04陈新

信息记录材料 2021年1期

陈新

（福州工商学院工学院福建福州 330108）

1 概述

随着无线通信技术的快速发展，人们对智能家居的需求逐步增加，完全有取代传统家居的趋势和可能。智能家居，就是通过智能化的传感器网络对环境进行实时监控，使人可以方便、快捷地了解环境状态，并随心所欲地完成主动调节与控制[1]。本文采用无线通信和ZigBee 技术，尝试设计一款智能家居环境控制系统，该系统终端节点模块可以实时采集传感器的温湿度数据，并传输到协调器模块，协调器模块再把收集到的数据通过串口发往智能终端设备（PC机或手机等），终端设备根据搜集的数据，控制家居设备如空调和加湿器等，从而实现家居环境的实时管理和控制。

无线通信具有通信距离短、发射功率低、应用范围广等特点。无线通信覆盖距离一般在10 ～200m，发射功率一般小于100mW，可自由连接各种个人便携式电子设备、计算机外部设备和各种家用电器设备，实现信息共享和多业务的无线传输。

ZigBee具有高可靠、高安全、低功耗、自组网、自修复、抗干扰等特点，利用 ZigBee 频段免执照、低复杂度等优势，很容易就能实现家电联网和系统化管理与控制，通过ZigBee 网络，分布在居室内的各家电设备实现互联互通，进而实现家电设备的信息交互和协同工作。

2 系统架构设计

如果有多个房间，在每个房间内安装一个ZigBee 终端模块，选择一间房间作为控制中心，在控制中心安装好ZigBee 协调器模块，ZigBee 终端模块通过ZigBee 无线网与ZigBee 协调器模块通信，每个ZigBee 终端模块上面的传感器将实时采集其所在室内温湿度数据，通过无线网发往协调器模块，协调器模块可以通过串口或者GPRS 网络把接收到的环境数据发往物联网云平台和客户机，管理员可以根据搜集的环境数据发出控制空调和加湿器等设备的指令，控制指令被发送到协调器模块，再转发到各个终端模块，终端模块的微控制器通过电源模块实现对空调和加湿器等设备的实时管理和控制。当然，ZigBee 终端模块对环境变量设置阈值，如果环境数据超过此阈值，那么终端模块把环境数据发送给协调器模块的同时，对空调和加湿器等设备实时监控[2]。

3 系统测试

将两个Zigbee 开发板成功组网后，安装了sht10传感器的Zigbee 板作为终端节点模块，该模块负责从sht10 传感器实时采集室内环境温度、湿度数据，并通过Zigbee 无线网发送给协调器模块；另一个Zigbee 板作为协调器模块，该模块负责接收终端节点发来的环境数据并通过串口发往PC 机，并最终显示到PC 机的串口调试助手中。

具体步骤如下：

（1）终端节点模块每隔2 秒向协调器模块发送温湿度数据，协调器模块将收到的数据通过串口发往PC 机，最终显示在PC 机的串口调试助手中，显示的数据格式如下：“我是模块X，当前温度是xx.x，当前湿度是xx.x。”如果每个房间都安装了终端节点模块，则需要给它们编号，显示“我是模块X”的目的就是为了避免不同终端节点模块发出的数据发生混淆。

（2）终端节点模块上的sht10 传感器可以实时收集环境的温湿度数据，发往协调器模块，并最终通过串口发往PC 机，通过编程，可以设置一个合理范围，如果终端节点模块发过来的温湿度数据超过了这个合理范围，就弹出警告框提示管理员，管理员可以根据环境数据调控室内空调和加湿器等设备，从而监控家居环境。也可通过无线网将调控指令发往终端节点模块，终端节点模块直接给室内空调和加湿器等设备转发调控指令，从而实现自动调节温湿度，无需人为干预。

（3）如果房间较多，每个房间都安装一个终端节点模块，并编号，设置不同的CHANNEL，这些不同编号的终端节点模块将收集到的各个房间环境数据通过无线网发送到协调器模块，协调器模块将搜集到的数据通过串口或无线网发往数据中心的PC 机或者手机等设备，设备上的应用程序就可以根据这些环境数据进行分析，找出异常数据，发出警报，并向协调器模块发出调控命令，协调器模块再向发出异常数据的终端节点模块转发调控命令，该终端节点模块调控房间空调和加湿器等设备，从而改善环境温湿度数据。实践证明：PC 机确实可以收到来自多个终端节点模块采集的实时温湿度数据，并通过对这些数据进行分析处理，从而实现对多个房间的环境监测和控制[3-4]。