鄭 潔，袁林江

（浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院，浙江 紹興 312030）

0 引 言

智能家居系統(tǒng)中最為重要的設(shè)計(jì)初衷之一，就是給現(xiàn)實(shí)生活中的家庭創(chuàng)造出更加便捷、現(xiàn)代化的生活環(huán)境以及工作環(huán)境。但是以往的智能家居環(huán)境控制系統(tǒng)一般都要有布線環(huán)節(jié)，而布線過程往往較為繁雜，也會(huì)較大幅度地增加成本。因此，基于無線多點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過這一技術(shù)可以使得傳統(tǒng)工作實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和部署更加簡單化，還可以降低整個(gè)系統(tǒng)所需的成本。

1 概 述

智能家居系統(tǒng)，其特點(diǎn)是充分地利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種現(xiàn)代化的技術(shù)，把各種各樣的智能家居設(shè)備連接起來，以此給人們創(chuàng)造出更加方便、適宜的智能家居方式。目前，采用的較為傳統(tǒng)的智能家居環(huán)境控制傳感器系統(tǒng)一般都是采用有線控制這一基本方式，但整個(gè)系統(tǒng)的安裝過程以及后期的保養(yǎng)維護(hù)需要的成本往往都比較高，而且固定之后移動(dòng)應(yīng)用的可能性較小。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一先進(jìn)的技術(shù)引入并應(yīng)用到智能家居中，能夠?qū)χ悄芗揖迎h(huán)境的整體狀況進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制，建立基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)［1］。

2 國內(nèi)智能家居現(xiàn)狀與存在的問題

目前，我國已經(jīng)掌握智能家居這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)，并且這一技術(shù)也呈現(xiàn)出較為快速的發(fā)展趨勢(shì)。但是從整體情況上來看，一方面國內(nèi)的智能家居系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)仍然處于一個(gè)快速起步的階段，智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品的主要生產(chǎn)廠家并不是以生產(chǎn)和經(jīng)營智能家居為主，而且還尚且未完全達(dá)到一個(gè)規(guī)?；纳a(chǎn)水平。另一方面，由于我國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正處于快速進(jìn)步的進(jìn)程中，所以使得某些住宅開發(fā)商開始著手于規(guī)劃和建設(shè)出更具經(jīng)濟(jì)效益的智能化家居建筑。例如，在一些比較高端的生活住宅小區(qū)內(nèi)，其內(nèi)部的控制以及管理工作都是以智能化為主，是商業(yè)住宅智能化家居的具體體現(xiàn)。

目前，我國中高端智能家居的市場正在保持穩(wěn)步發(fā)展，但還是存在一些亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，總結(jié)分析如下。

（1）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未完全形成。目前，由于我國存在多個(gè)高端智能家居的生產(chǎn)廠家，所以其生產(chǎn)出的產(chǎn)品也是存在多樣性，使得高端智能家居并不能具有良好的兼容性。相關(guān)部門對(duì)于智能家居系統(tǒng)的開發(fā)存在一定程度的理解偏差，會(huì)出現(xiàn)難以整合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的問題，從而給國產(chǎn)產(chǎn)品的推廣及應(yīng)用帶來很大的阻力。

（2）產(chǎn)品不能滿足用戶的需求。通常，家居用戶往往更關(guān)注產(chǎn)品具有的實(shí)用功能，但是在眾多功能中某些特殊功能是家居用戶短期內(nèi)不需要使用的功能，說明存在功能冗余的情況；同時(shí)，在當(dāng)前已有的產(chǎn)品中，大多數(shù)產(chǎn)品的使用過程過于繁雜，并未體現(xiàn)出實(shí)用化、人性化的應(yīng)用特點(diǎn)［2］。

（3）售后支持有待提高。從智能家居的設(shè)計(jì)上看，該系統(tǒng)是一個(gè)極為復(fù)雜的使用系統(tǒng)，雖然集成了很多不同的技術(shù)手段，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，如果采用不合理的使用方式，很可能會(huì)造成因系統(tǒng)損壞而無法使用的情況。此外，該系統(tǒng)的維修過程通常比較麻煩，因此需要廠家能夠?yàn)橛脩籼岣咂涫酆蠓?wù)質(zhì)量，并加快建設(shè)售后的保障體系。

（4）網(wǎng)絡(luò)安全需要高度重視。由于智能家居設(shè)備通常都是通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程控制操作，因此如果物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)存在安全隱患，就會(huì)導(dǎo)致智能家居系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。這是企業(yè)應(yīng)當(dāng)高度重視的問題。

3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)原則

通過將智能家居系統(tǒng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)緊密地結(jié)合起來，可以大大地增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的功能完善性以及整個(gè)系統(tǒng)的智能性。首先，要非常注重智能家居系統(tǒng)在整體上所采用的設(shè)計(jì)技術(shù)的可實(shí)施性以及所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在將來應(yīng)用過程當(dāng)中的實(shí)用性，要能夠確保按照整個(gè)設(shè)計(jì)方案正常、順利地進(jìn)行。其次，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格地遵循開放性以及科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)原則。再次，在當(dāng)前智能家居的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用過程中，系統(tǒng)的設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)很大的技術(shù)瓶頸，因此在具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施工作中要充分地重視這一點(diǎn)。最后，要加大限度地注重整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠性，保證其能夠正常地投入到實(shí)際應(yīng)用中［3］。

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

首先，在整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作過程中，應(yīng)當(dāng)特別注意如何高效率地通過與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合達(dá)到分析網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的目標(biāo)。第一，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是無線傳感器技術(shù)的較為重要基礎(chǔ)和特點(diǎn)，它的應(yīng)用可以大幅度地提高傳感器信息采集和監(jiān)測(cè)的效率和精度，并且可以減少對(duì)單個(gè)無線傳感器其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的干擾和依賴。第二，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器體系以及其結(jié)構(gòu)也是無線傳感器的重要組成部分，而該體系主要是指采用IPv6協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其整體結(jié)構(gòu)，包括有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、輔助網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以及相對(duì)應(yīng)的終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。第三，傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)核心的組成部分。第四，智能家居結(jié)構(gòu)還需要具有較高數(shù)據(jù)計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的傳感器。例如，ZigBee就是具有較高數(shù)據(jù)計(jì)算能力和較大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的傳感器，其可以檢測(cè)到在相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。

其次，無線傳感器可以有多種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中最為常見的就是混合星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由主協(xié)調(diào)器和其他智能家居設(shè)備處理器組成。而拓?fù)渚W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也是單跳星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)整體的智能家居網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)建設(shè)和運(yùn)營管理，在整個(gè)智能家居當(dāng)中處于網(wǎng)絡(luò)的中心地位。此外，這還是一種基于平等通信原則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 需求分析

這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是為了在未來的生活當(dāng)中給消費(fèi)者提供現(xiàn)代化的生活及居住環(huán)境。結(jié)合總體設(shè)計(jì)初衷，本文從家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)、家庭傳感器設(shè)備的控制、家居安全、家居節(jié)能四個(gè)方面詳細(xì)地分析基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和這一系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求。

（1）家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)。對(duì)家居環(huán)境當(dāng)中的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這是在生活當(dāng)中的實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)可以促使更多的用戶能夠詳細(xì)地獲取發(fā)生在其所處環(huán)境當(dāng)中的各種與其有關(guān)的信息。

（2）家庭設(shè)備控制。家庭設(shè)備控制能夠?qū)崿F(xiàn)、允許用戶可以通過遠(yuǎn)程控制的模式對(duì)其家庭設(shè)備進(jìn)行有需要的操作。

（3）家居安全。家居安全是指能夠監(jiān)控所處環(huán)境中所有可以影響家居安全的信息，當(dāng)出現(xiàn)相關(guān)危害情況時(shí)，能夠及時(shí)地通過系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息，以最大限度地減小風(fēng)險(xiǎn)，避免帶來損失，保障安全。

（4）家居節(jié)能。家居節(jié)能是能夠使用戶可以及時(shí)地監(jiān)測(cè)并獲取家庭環(huán)境當(dāng)中所有使用當(dāng)中的用電設(shè)備的耗電量信息，從而為用戶提供家庭節(jié)能方面有用的措施和相關(guān)的可行建議。

4.2 功能模塊分析

（1）家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，它主要是負(fù)責(zé)感知家居情況的一些相關(guān)信息，通過接收用戶的指令來控制與其相關(guān)的家居設(shè)施。

（2）WEB 服務(wù)器。它主要是負(fù)責(zé)保存用戶的家庭環(huán)境當(dāng)中相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置信息。通過瀏覽器連接到WEB 服務(wù)器，可以方便用戶查看家庭環(huán)境當(dāng)中的一些實(shí)時(shí)信息以及歷史信息。

（3）用戶端。開發(fā)者可以直接通過用戶端瀏覽器或者基于移動(dòng)計(jì)算機(jī)終端的智能家居應(yīng)用程序直接訪問用戶端智能家居的系統(tǒng)。如果需要允許用戶端開發(fā)者使用APP 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問，則用戶需要自己開發(fā)專門的用戶端智能家居系統(tǒng)應(yīng)用程序。

（4）智能家居網(wǎng)關(guān)。它是一個(gè)核心節(jié)點(diǎn)，還通過互聯(lián)網(wǎng)連接與用戶和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行通信，向用戶和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送感知信息，并接收用戶的指令。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居的整體開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)注意網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理控制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，因?yàn)樵摽刂破鞯脑O(shè)計(jì)和應(yīng)用是智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心組成部分。其中，網(wǎng)絡(luò)路由器以及數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵組成環(huán)境，通過合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)路由器和協(xié)議配置，可以最大限度地為智能家居系統(tǒng)控制和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量消耗。此外，在整個(gè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)工作過程中，應(yīng)該注意傳感器功能的優(yōu)化以及完善。例如，需要注意無線傳感器的開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)置工作，直接模擬網(wǎng)絡(luò)溫度、濕度、光照、煙霧等一系列的信息，從而提高基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居設(shè)計(jì)效率［4］。

其次，在無線網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)調(diào)器及其節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面上，應(yīng)當(dāng)特別注意無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。第一，從無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上看，CC2420總共有2 個(gè)緩沖區(qū)寄存器可以訪問FIFO 緩沖區(qū)，即RXFIFO 寄存器和TXTXFIFO 寄存器，而這兩種寄存器都是利用混合訪問處理器的方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送至FIFO 緩沖區(qū)。第二，這種無線通信應(yīng)用程序的功能主要包括處理器系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收等重要功能。第三，在寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)包的設(shè)計(jì)方面，CC2420 可以將通過TXFIFO 寄存器和緩沖區(qū)發(fā)送的兩個(gè)數(shù)據(jù)包，分別寫入混合訪問式的TXFIFO 處理器中，以便在處理器在沒有需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以激活訪問STXON 或激活STXONCCA。第四，在對(duì)數(shù)據(jù)包的接收和緩沖區(qū)功能的設(shè)計(jì)方面，當(dāng)兩個(gè)芯片同時(shí)處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)時(shí)，可以將兩個(gè)數(shù)據(jù)包在同一時(shí)間存儲(chǔ)在一個(gè)緩沖器當(dāng)中，并且切換兩個(gè)PIN 值。

最后，微處理器和緩沖區(qū)模塊的基本功能設(shè)計(jì)，也是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分。同時(shí)，微處理器和緩沖區(qū)模塊的基本功能設(shè)計(jì)，也可以作為以SPI 總線微處理器為核心的智能家居系統(tǒng)，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)控制之間的信號(hào)接收和傳輸?shù)闹饕d體。在選用以SPI 總線為核心的微處理器中，由于其可以被用于更多的內(nèi)部處理器資源、模數(shù)轉(zhuǎn)換、總線微控制器局域網(wǎng)接口、CAN 總線處理器接口的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，所以這種以SPI 總線微處理器為核心的智能家居系統(tǒng)，更適合于低功耗家庭應(yīng)用的芯片。

5 結(jié) 論

隨著智能家居的快速發(fā)展，以及現(xiàn)代人們對(duì)于高品質(zhì)家居生活的追求，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)將會(huì)擁有越來越廣泛的發(fā)展前景。