无线传感器网络在智能家居系统中的应用

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，由这些微型传感器构成的传感器网络（WirelessSensor Network 简称WSN） 引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。随着传感器技术、半导体制作技术、嵌入式处理技术等的发展使无线传感器网络在环境监控、工业控制、智能城市和智能家庭等领域取得了实际可行的应用成果。本文把无线传感器网络引入到智能家居系统中，给出了一套基于传感器网络的智能家居系统解决方案。

1 无线传感器网络节点和网络体系结构

传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。在传感器网络中，大量的节点部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，并以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，从而实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回sink 节点（接收发送器），最后借助sink 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。在传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，而sink 节点的发射能力较强，具有较高的电能，可以把数据发回远程控制节点。

智能家居

随着近年来科学技术的迅速发展和普及，我们的工作、生活观念也发生了巨大的改变，现代家庭生活追求的新方向———智能化生活己经悄然走进我们的生活，“智能家居”已成为家庭信息化和智能化的一种表现。智能家居是指在小区内部宽带网络己经普及的基础上利用小区内部的网络环境搭建的以家庭为单位的控制系统，其目的是为住户提供以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理于一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境。智能家居是个复杂的综合体。首先，在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，智能家居的最终实现目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。智能家居从功能上来说，主要分为家庭安防功能、家庭数据采集功能、家电及家庭电子设备控制、家庭信息管理平台和家庭能源控制功能等五大功能。

基于无线传感器网络的智能家居网

由智能家居系统平台的结构图可见。无线网关（sink 节点）是整个网络平台的核心，各个不同协议子网之间的互连和信息共享都需要通过网关进行，它可以接收各种家电、灯具、安防监控设备、居室环境监控单元以及通用遥控器等无线发送上来的信息，也可以对这些信息进行智能处理后反馈给相应的设备。另一方面，无线网关还可以同局域网/互联网、公用电话网、短信系统等连接，在非现场区域对家庭网络进行遥控和监测。在家庭无线网络平台中，通用遥控设备上有GUI（Graphical User interface，图形用户接口），它不仅可以控制各种家用电器以及各种监测控制单元的运行状态，还可以对各种受控设备进行设备添加、删除、参数设置等操作，实现对家庭无线网络平台的现场控制。在网络平台中，各种网络家电设备，例如电视、冰箱、空调、热水器等，形成了一个应用平台。这些

设备可以接受无线网关或通用遥控器的控制，也可以把自身的工作状态、甚至故障告警信息上传到无线网关，进而通过互联网或电话网告知相关人员。安防监控子网用来对家庭的门、窗等监测和控制。一旦有人非法入侵，安防单元就会立即启动报普系统，并通过无线网关把安防告普信息传递给相关人员或部门。图像采集装置可以记录非法入侵人员的资料。居室环境监控子网对家庭内的各种有害气体、火灾等进行监视和控制。这个单元采用了模糊智能控制技术，一旦预测到有灾情发生，会立即进行关联控制。例如，启动通风设备减小有害气体浓度，启动灭火装置消除隐患。灯光控制子网可以提供舒适的光源和有效的节能措施，方便用户的生活和工作。

在此电路中，用户在户外拨通家庭电话，客厅内电话接口模块根据振铃次数决定是否摘机;如果摘机，该模块通过语音反馈到户外电话，提示用户输入系统操作密码;待输入的密码得到确认后，用户获取智能家居系统执行权，在语音提示下，分别对家用电器进行控制。户外控制信息经过电话接口模块进入家庭以太网，并发送到分布在家庭内部的各个终端节点;终端节点分析控制信息，判断是否为发送到本地的信息，以及是否需要执行相关操作。例如，用户在下班回家途中，拨通家庭电话，输入正确密码后，在语音提示下有选择地打开卫生间内的热水器（操作由卫生间内自动控制模块执行），打开客厅内的电灯（操作由客厅内自动控制模块执行），再打开厨房内的电饭锅，开始煮饭（操作由厨房内自动控制模块执行）。利用无线传感器网络节点加上zigBee 协议构成的低数据率无线家庭网络个性化明显，用户通常会选择符合自己个性化需求的产品。

目前的产品主要有：具备远程遥控技术、配有电话、无线通讯等接口的空调、热水器等数字家电;配有无线接口、可远程报警的家用安防报警设备;具备无线接口的家庭灯光控制器材;可进行防盗、报普、记录的小型摄像机;照顾料理家庭成员的摄像头或可视电话等等。可见，用户的个性化家庭网络配置源于相关产品的多样化。用户对家庭网络产品的安放位置在一定程度上也影响家庭网络的拓扑和连通性。因此，家庭网络应该具备自行组织的能力，真正实现家庭内部的自动化。

4 无线传感器网络在智能家居中应用的展望虽然现在构造普适计算的各种构件都存在，如嵌入式技术、网络技术（包括移动计算和自组织网络）、中间件技术和传感器技术，但将其无缝集成仍是很大的挑战。考虑到大量日常和消费类设备的接入，由于设备智能程度的差别（如：家里的PC 机与小区的自动识别系统），普适计算系统的中间件必须找到途径以屏蔽这种不均衡。智能家居环境是普适计算的先决条件，依应用不同，需要感知的可以是用户位置、环境温度、光线、甚至用户的动作、表情、心跳、血压等等。

这个目标引入了更多的复杂性：位置监控、不确定建模、实时信息处理和融合来自不同传感器节点的数据，这些均构成了技术瓶颈。智能家居是一个新兴的研究领域，其功能可以随着用户的需求无限扩展。智能家居也是一个快速发展的领域，其市场前景广阔。无线传感器网络在智能家居中的应用，极大的提高了传统智能家居系统的人性化自动化水平，必将随着智能家居的发展而不断进步。