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無(wú)線(xiàn)傳感器在智能家居上應用設計的探討論文
科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)了無(wú)線(xiàn)傳感器的快速發(fā)展，使其實(shí)現了在微小體積內完成信號收集、處理和輸出等多種功能。無(wú)線(xiàn)傳感器在智能科技家居上的應用主要是通過(guò)節點(diǎn)在一定區域內形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統，完成對各種信息的收集、處理，并將其發(fā)送給觀(guān)察者。
1 無(wú)線(xiàn)傳感器在智能家居中應用的重要性
科技時(shí)代的來(lái)臨，人們的生活質(zhì)量得到了更大程度的提高�，F在家居生活逐漸向智能化發(fā)展，各種系統的智能化使生活更加輕松、有序、高效，智能化家居逐漸成為科技時(shí)代背景下的必然趨勢。但是，在發(fā)展的過(guò)程中要正視，因為我國家居智能化起步比較晚，與國外發(fā)達國家相比還存在很多不足，逐漸凸顯出一些問(wèn)題。例如智能家居組網(wǎng)方式的選擇難，傳統的先組網(wǎng)方式已經(jīng)不能適應社會(huì )發(fā)展的需求，而傳統的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式造價(jià)比相對較高，更不易選擇�；蛘呤钦麄�(gè)系統因為節點(diǎn)、標準以及接口等問(wèn)題運行不穩定。只有解決這些存在的問(wèn)題，才能更好地實(shí)現智能家居的建設，才可進(jìn)一步為人們提供更高質(zhì)量的服務(wù)。而無(wú)線(xiàn)傳感器在智能家居上的應用剛好滿(mǎn)足這一要求，以無(wú)線(xiàn)傳感器存在的優(yōu)點(diǎn)來(lái)彌補傳統智能家居系統的不足，使得智能家居真正實(shí)現“智能”，將各種子系統聯(lián)系在一起，實(shí)現信息共享。無(wú)線(xiàn)傳感器在智能家居中的應用，主要是通過(guò)設置在區域環(huán)境中多個(gè)傳感器組節點(diǎn)形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現家居中安保系統、家電控制系統以及網(wǎng)絡(luò )應用系統等有效的整合，保證觀(guān)察者可以實(shí)現實(shí)時(shí)監控。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器在智能家居上應用的難點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器在智能家居中的應用在一定程度上已經(jīng)超出了傳統的網(wǎng)絡(luò )范圍。因為在智能家居中的應用中，節點(diǎn)的組成已發(fā)生了轉變，不再是與傳統系統中相同節點(diǎn)的組成，而是將功能單一與獨立工作的節點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，由傳統的網(wǎng)絡(luò )系統轉變?yōu)橐粋�(gè)異構的系統。同時(shí)，因為在智能家居中某些家電設備或者是辦公產(chǎn)品不是靜止不動(dòng)的，這就使系統內的節點(diǎn)具有了移動(dòng)性。網(wǎng)絡(luò )系統由傳統的靜止轉變?yōu)閯?dòng)態(tài)，同時(shí)拓撲結構也可能會(huì )發(fā)生轉變，這就要求整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統具有更強的適應性，保證本身具有動(dòng)態(tài)系統的可塑性。針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統中節點(diǎn)的異構性和動(dòng)態(tài)性，其在智能家居中的應用難點(diǎn)主要就是對動(dòng)態(tài)節點(diǎn)的控制。另外還有就是在工程應用上存在的問(wèn)題，也就是將來(lái)自不同廠(chǎng)家的家電以及傳感器執行器進(jìn)行有效互聯(lián)，進(jìn)行統一管理。家電設備生產(chǎn)規律決定了各種電器設備來(lái)源的多樣性。對于電器設備的生產(chǎn)，各個(gè)廠(chǎng)家是各有所長(cháng)，因此消費者在進(jìn)行選購時(shí)一般都是根據質(zhì)量而不是根據生產(chǎn)廠(chǎng)商進(jìn)行確定，造成了各個(gè)電器設備節點(diǎn)的不同，為如何將不同廠(chǎng)家不同類(lèi)型設備互聯(lián)提出了更高的要求，此問(wèn)題已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能家居上應用的難點(diǎn)。
3 無(wú)線(xiàn)傳感器在智能家居上應用設計
3.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計主要包括傳感器單元設計、處理器單元設計、無(wú)線(xiàn)通信單元設計以及能量供應單元設計四部分。本文主要以溫度傳感器為例進(jìn)行設計，傳感節點(diǎn)主要包括電源(電池組)人體紅外傳感器、溫度傳感器(18B20)、接口、單片機(MSP430F1232A)、無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片(NRF905)。
(1)傳感器單元設計。在此傳感器節點(diǎn)的選擇只有溫度傳感器和人體紅外傳感器兩個(gè)節點(diǎn)，其中溫度傳感器選擇的是DS18B20，具備體積小、電路簡(jiǎn)單、成本低以及精度高等特點(diǎn)，內置集成測溫傳感器和邏輯控制電路。人體紅外傳感器節點(diǎn)的設置主要是用來(lái)對家居環(huán)境內人物是否存在進(jìn)行檢測，其原理是根據溫度高于絕對溫度-273℃的任何物體都會(huì )具有紅外光譜，并根據光譜長(cháng)度對區域環(huán)境內的紅外波長(cháng)進(jìn)行確定。如果環(huán)境內有人物存在就會(huì )將自身存在的紅外線(xiàn)通過(guò)濾光片加強后作用到紅外感應器上，紅外感應器電荷平衡被打破，向電路釋放電荷，經(jīng)系統處理后就會(huì )引發(fā)報警系統。
(2)處理器單元設計。處理器單元選擇的是單片機MSP430F1232A，具有應用方便、時(shí)間長(cháng)等超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。并且具有豐富的尋址方式以及大量的模擬指令，具有較強的處理功能，所以在控制單元選擇這種單片機比較具有優(yōu)勢。另外的外圍電路主要由復位電路、晶振電路、電量監視電路以及編程接口組成，整個(gè)工作系統比較穩定。
(3)無(wú)線(xiàn)通信單元設計。無(wú)線(xiàn)通信設備選擇的主要是無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片NRF905，
具有低消耗的特點(diǎn)。整個(gè)單元主要是由調節器、功率放大器、晶體振蕩器、自帶調節器的接收器以及完全集成的頻率調制器組成。另外，在沒(méi)有碰撞控制或者是有噪聲的區域環(huán)境中，數據包的重復發(fā)送是提升系統可靠性的一種有效方式，無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片NRF905在這一方面具有很大的優(yōu)勢，實(shí)施比較方便。
(4)能量供應單元設計。能量供應單元主要是由電池組和電量剩余監視電路組成，其中電池組可以選取節號電池來(lái)組成，監視電路主要構成為MAX836。能量供應單元設計相對簡(jiǎn)單，但是也最為重要，沒(méi)有電源一切皆為空談，因此要加強對此單元設計的重視。
3.2 通信協(xié)議設計
這里講的通信協(xié)議主要是路由協(xié)議，根據現在無(wú)線(xiàn)路由器自組網(wǎng)中的平面路由協(xié)議可以分為按需路由協(xié)議和主動(dòng)路由協(xié)議兩種。
(1)按需路由協(xié)議。按需路由協(xié)議認為在無(wú)線(xiàn)傳感器自組網(wǎng)中沒(méi)有必要去維護其他節點(diǎn)的路由，只有在沒(méi)有與目的路由進(jìn)行連接的時(shí)候才會(huì )“按需” 發(fā)現路由。其優(yōu)點(diǎn)是在對信息傳播時(shí)不需要周期性的路由，節省了大量的網(wǎng)絡(luò )資源。缺點(diǎn)是節點(diǎn)數據包發(fā)送時(shí)，沒(méi)有目的節點(diǎn)路由，會(huì )發(fā)生延時(shí)。按需路由協(xié)議一般主要包括發(fā)現和維護兩個(gè)過(guò)程，在源節點(diǎn)發(fā)現存在路由節點(diǎn)沒(méi)有去往目的節點(diǎn)時(shí)，就會(huì )引發(fā)路由發(fā)現過(guò)程。而路由維護過(guò)程只有通過(guò)鏈路失效檢測機制才能進(jìn)行觸發(fā)�，F在經(jīng)常用的按需路由協(xié)議主要有DSR協(xié)議和AODV協(xié)議。
(2)主動(dòng)路由協(xié)議。區別于按需路由協(xié)議，主動(dòng)路由協(xié)議是主動(dòng)去尋找路由，認為無(wú)線(xiàn)傳感器自組網(wǎng)節點(diǎn)應該對網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)進(jìn)行維護。與按需路由協(xié)議相比其具有一定的優(yōu)點(diǎn)，在節點(diǎn)發(fā)送數據包時(shí)，如果存在目的節點(diǎn)，其中延時(shí)概率
會(huì )大幅度降低。但是同時(shí)也具有缺點(diǎn)，主動(dòng)路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)比較大，同時(shí)原有路由更新會(huì )因為拓撲結構的動(dòng)態(tài)變化很快變成過(guò)時(shí)信息�，F在常用的主動(dòng)路由協(xié)議主要有DSDV協(xié)議和WRP協(xié)議。
3.3 智能家居網(wǎng)絡(luò )拓撲結構設計
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能家居上的應用，實(shí)現的前提就是要選擇建立一個(gè)科學(xué)合理的拓撲結構。一個(gè)合理的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構可以提升家居網(wǎng)絡(luò )的速度，將其具有的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行擴大，使網(wǎng)絡(luò )具有的整體功能更完美地發(fā)揮出來(lái)�，F在智能家居網(wǎng)絡(luò )拓撲結構一般采用的都是星狀網(wǎng)絡(luò )。具有的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單，連接方便，更重要的是管理時(shí)效性高。無(wú)線(xiàn)傳感器在智能家居上的應用，通過(guò)多個(gè)節點(diǎn)形成自足網(wǎng)絡(luò )，其中智能家居網(wǎng)絡(luò )控制主要分為家用電器開(kāi)關(guān)控制和安防、環(huán)境監測數據傳輸兩種。與現在智能家居發(fā)展相結合，設計出以控制計算機為中心的星狀網(wǎng)絡(luò )拓撲圖，更簡(jiǎn)單實(shí)用。
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