基于WSN的智能家居系统方案设计

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摘 要：介绍了智能家居的背景、功能和研究现状， 通过对比传统有线组网方式和无线传感网络技术， 提出了基于无线传感网络的智能家居系统设计方案， 包括总体结构、家庭网关、小区服务器、无线传感节点的设计，从而解决了有线施工布线带来的困扰；文中同时研究了一套通用的wsn智能家居平台，该平台具有推动相关技术验证及实现的价值。

关键词：物联网；智能家居；无线传感网络；系统设计

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095—1302（2012）10—0057—03

0 引 言

20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器的面市和住宅电子化（Home Electronics，HE）的出现，在80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后 ，便形成了住宅自动化（Home Automation，HA）概念。而在80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为Smart Home，也就是现在智能家居的原型[1]。一般情况下，无线传感器网络（ Wireless Sensor Network，WSN）大多由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织的网络系统。该系统能实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息并加以处理，从而完成数据采集和监测任务[2]。将WSN技术与传统智能家居相结合，便可形成目前主流的智能家居系统，本文将基于WSN来讨论智能家居系统的设计方案。

1 国内外智能家居的发展现状

在智能家居发展过程中，美国一直处于领先水平。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业，先后跻身于智能家居的研究与开发中，例如微软开发的“梦幻之家”、IBM公司开发的“家庭主任”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”等[3]。在我国的 《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的重点领域中，无线传感器网络及智能信息处理也被列为信息产业中7个主题之一[4]。目前的智能家居主要都是高成本产品，出现各种档次和百家争鸣的景象，其市场化普及尚需时日。我国的智能家居系统还处于从无到有的初级阶段，如何建立一个高效率、低成本、与国际标准接轨的系统已成为当前社会的一个热点问题。

在智能家居的发展中，目前还存在协议、标准、接口等不规范，家居内有线组网方式非常麻烦，而传统无线组网方式又太昂贵，系统运行不可靠、不稳定等问题。用无线传感器网络取代传统智能家居系统中以RS 485 总线或CAN 总线的有线组网方式，无需施工布线，安装简便，可以方便地形成智能家居网络。传统家居系统和WSN家居系统的对比如表1所列。

2 智能家居系统的功能分析

智能家居以住宅为平台，将与家居相关的安防、电器、节能、医疗等设备有机结合起来，并对其进行单独或集中控制管理，从而创造出高效、舒适、安全、环保的居住环境。主要的系统功能由以下一些子系统组成：

（1） 可视对讲系统：包括呼叫户主、对讲、摄像、室内监视室外、室外密码开门等；

（2） 照明控制系统：可提供灯光的调控、开关、场景控制；

（3） 家居安防系统：即红外报警、窗磁门磁、传感器报警、远程监控等；

（4） 电器控制系统：对窗帘、通风设备、空调器、红外家电进行控制；

（5） 手持设备、PC控制：通过平板电脑、智能手机，网页浏览器随时随地控制家中设备；

（6） 节能控制系统：自动监控能耗状况，对耗能进行管理，过载自动断电；

（7） 网络视频监控：在有网络的任何地方，通过网页都可以看到家中的情景。

这些子系统主要是从功能的角度进行划分的，实际上，它们是一个整体，某些模块可能同时在几个子系统中发挥作用，而且各个子系统之间也可以建立非常紧密的联系。

3 智能家居系统设计方案

本系统由无线智能网关、小区服务器、分布式家电控制、网络接口、控制终端设备等部分组成。系统功能设计如下：

（1） 由各类传感器分别检测收集居室的温度、湿度、烟雾、CO、甲烷、安防参数以及电、气、水能耗等家居信息；

（2） 将所有传感器节点采集到的信息上传到网关，由网关采集并转发数据到服务器；

（3） 服务器后台接收到网关上传的数据后，将其转发到手持设备，并存储到数据库中，若前台页面需要显示相关数据，可以随时从数据库中读取；

（4） 用户手持设备或远程PC的控制命令通过GPRS或Internet与服务器相连，服务器后台接收到相关的命令之后转发给网关，再由网关下发控制命令，以实现手机或远程PC控制设备的功能。

智能家居系统的核心部分是多功能网关，基于IEEE 802.15.4E协议的无线传感器网络具有近距离、低功耗、低成本的特点，可以移植到多种嵌入式设备中。由于IEEE 802.15.4E设备工作在2.4 GHz频段，采用自组织方式组网，对网络内部的设备数量没有限制，新添加的设备节点会被网络自动发现，因而提升了网络的可靠性[5]。图1所示为智能家居的网络拓扑图。

3.1 家庭网关的设计

家庭网关在智能家居中起着桥梁作用，可将家庭内部无线传感器网络与互联网建立连接，通过现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备进行联网，从而实现家庭设备的网络化，而嵌入式系统具有体积小、专业化强、配置要求低、使用简单、实时性强、成本低廉等特点。嵌入式网关就是把 TCP/IP 协议栈固化在单片机内，使单片机具有以太网接入功能的一种廉价的网络接入装置。只要微控制器对网络接口芯片进行控制和通信，并通过自主开发TCP/IP 协议栈，把标准网络技术（TCP/IP）运用到嵌入设备中，就能在网络环境下的任何时间和地点对它进行监控。利用传统的Web 和 Internet 远程监视数据，并对运行情况进行控制[6]。