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    無線傳感器網絡在智能家居系統中的應用

    2015-11-09 15:56:32

    來源:智家網

    發布者:智家網

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      隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟,具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內出現,由這些微型傳感器構成的傳感器網絡(WirelessSensor Network 簡稱WSN) 引起了人們的極大關注。這種傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術,能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息,并對這些信息進行處理,獲得詳盡而準確的信息,傳送到需要這些信息的用戶。隨著傳感器技術、半導體制作技術、嵌入式處理技術等的發展使無線傳感器網絡在環境監控、工業控制、智能城市和智能家庭等領域取得了實際可行的應用成果。本文把無線傳感器網絡引入到智能家居系統中,給出了一套基于傳感器網絡的智能家居系統解決方案。

      1 無線傳感器網絡節點和網絡體系結構

      傳感器網絡節點的基本組成和功能包括如下幾個單元:傳感單元(由傳感器和模數轉換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統構成,包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等)、通信單元(由無線通信模塊組成)、以及電源部分。此外,可以選擇的其它功能單元包括:定位系統、移動系統以及電源自供電系統等。在傳感器網絡中,大量的節點部署在感知對象內部或者附近。這些節點通過自組織方式構成無線網絡,并以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中特定的信息,從而實現對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構成的網絡,通過多跳中繼方式將數據傳回sink 節點(接收發送器),最后借助sink 鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程控制中心進行集中處理。在傳感器網絡中絕大多數的節點只有很小的發射范圍,而sink 節點的發射能力較強,具有較高的電能,可以把數據發回遠程控制節點。

      智能家居

      隨著近年來科學技術的迅速發展和普及,我們的工作、生活觀念也發生了巨大的改變,現代家庭生活追求的新方向———智能化生活己經悄然走進我們的生活,“智能家居”已成為家庭信息化和智能化的一種表現。智能家居是指在小區內部寬帶網絡己經普及的基礎上利用小區內部的網絡環境搭建的以家庭為單位的控制系統,其目的是為住戶提供以住宅為平臺,兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化,集系統、結構、服務、管理于一體的高效、舒適、安全、便利的居住環境。智能家居是個復雜的綜合體。首先,在一個家居中建立一個通訊網絡,為家庭信息提供必要的通路,在家庭網絡操作系統的控制下,通過相應的硬件和執行機構,實現對所有家庭網絡上的家電和設備的控制和監測。其次,通過一定的媒介,構成與外界的通訊通道,以實現與家庭以外的世界溝通信息,滿足遠程控制/監測和交換信息的需求。最后,智能家居的最終實現目的都是為滿足人們對安全、舒適、方便和符合綠色環境保護的需求。智能家居從功能上來說,主要分為家庭安防功能、家庭數據采集功能、家電及家庭電子設備控制、家庭信息管理平臺和家庭能源控制功能等五大功能。

    無線傳感器網絡在智能家居系統中的應用

      基于無線傳感器網絡的智能家居網

      由智能家居系統平臺的結構圖可見。無線網關(sink 節點)是整個網絡平臺的核心,各個不同協議子網之間的互連和信息共享都需要通過網關進行,它可以接收各種家電、燈具、安防監控設備、居室環境監控單元以及通用遙控器等無線發送上來的信息,也可以對這些信息進行智能處理后反饋給相應的設備。另一方面,無線網關還可以同局域網/互聯網、公用電話網、短信系統等連接,在非現場區域對家庭網絡進行遙控和監測。在家庭無線網絡平臺中,通用遙控設備上有GUI(Graphical User interface,圖形用戶接口),它不僅可以控制各種家用電器以及各種監測控制單元的運行狀態,還可以對各種受控設備進行設備添加、刪除、參數設置等操作,實現對家庭無線網絡平臺的現場控制。在網絡平臺中,各種網絡家電設備,例如電視、冰箱、空調、熱水器等,形成了一個應用平臺。這些

      設備可以接受無線網關或通用遙控器的控制,也可以把自身的工作狀態、甚至故障告警信息上傳到無線網關,進而通過互聯網或電話網告知相關人員。安防監控子網用來對家庭的門、窗等監測和控制。一旦有人非法入侵,安防單元就會立即啟動報普系統,并通過無線網關把安防告普信息傳遞給相關人員或部門。圖像采集裝置可以記錄非法入侵人員的資料。居室環境監控子網對家庭內的各種有害氣體、火災等進行監視和控制。這個單元采用了模糊智能控制技術,一旦預測到有災情發生,會立即進行關聯控制。例如,啟動通風設備減小有害氣體濃度,啟動滅火裝置消除隱患。燈光控制子網可以提供舒適的光源和有效的節能措施,方便用戶的生活和工作。

      在此電路中,用戶在戶外撥通家庭電話,客廳內電話接口模塊根據振鈴次數決定是否摘機;如果摘機,該模塊通過語音反饋到戶外電話,提示用戶輸入系統操作密碼;待輸入的密碼得到確認后,用戶獲取智能家居系統執行權,在語音提示下,分別對家用電器進行控制。戶外控制信息經過電話接口模塊進入家庭以太網,并發送到分布在家庭內部的各個終端節點;終端節點分析控制信息,判斷是否為發送到本地的信息,以及是否需要執行相關操作。例如,用戶在下班回家途中,撥通家庭電話,輸入正確密碼后,在語音提示下有選擇地打開衛生間內的熱水器(操作由衛生間內自動控制模塊執行),打開客廳內的電燈(操作由客廳內自動控制模塊執行),再打開廚房內的電飯鍋,開始煮飯(操作由廚房內自動控制模塊執行)。利用無線傳感器網絡節點加上zigBee 協議構成的低數據率無線家庭網絡個性化明顯,用戶通常會選擇符合自己個性化需求的產品。

      目前的產品主要有:具備遠程遙控技術、配有電話、無線通訊等接口的空調、熱水器等數字家電;配有無線接口、可遠程報警的家用安防報警設備;具備無線接口的家庭燈光控制器材;可進行防盜、報普、記錄的小型攝像機;照顧料理家庭成員的攝像頭或可視電話等等??梢?,用戶的個性化家庭網絡配置源于相關產品的多樣化。用戶對家庭網絡產品的安放位置在一定程度上也影響家庭網絡的拓撲和連通性。因此,家庭網絡應該具備自行組織的能力,真正實現家庭內部的自動化。

      4 無線傳感器網絡在智能家居中應用的展望雖然現在構造普適計算的各種構件都存在,如嵌入式技術、網絡技術(包括移動計算和自組織網絡)、中間件技術和傳感器技術,但將其無縫集成仍是很大的挑戰??紤]到大量日常和消費類設備的接入,由于設備智能程度的差別(如:家里的PC 機與小區的自動識別系統),普適計算系統的中間件必須找到途徑以屏蔽這種不均衡。智能家居環境是普適計算的先決條件,依應用不同,需要感知的可以是用戶位置、環境溫度、光線、甚至用戶的動作、表情、心跳、血壓等等。

      這個目標引入了更多的復雜性:位置監控、不確定建模、實時信息處理和融合來自不同傳感器節點的數據,這些均構成了技術瓶頸。智能家居是一個新興的研究領域,其功能可以隨著用戶的需求無限擴展。智能家居也是一個快速發展的領域,其市場前景廣闊。無線傳感器網絡在智能家居中的應用,極大的提高了傳統智能家居系統的人性化自動化水平,必將隨著智能家居的發展而不斷進步。

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