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基于基本射频无线传感器网络的智能家居系统设计
https://doi.org/10.3991/ijoe.v14i04.8389
方天
湖南理工学院，岳阳，中国3151088628@qq.com
习龙
中国电力中南工程有限公司，中国长沙
廖文迪
东莞市先进技术研究所，中国东莞
摘要——本文尝试将无线传感器网络(WSN)集成到智能家居系统中。为此，提出了一种基于基本射频(RF) 无线传感器网络的智能家居系统。首先，介绍了无线传感器网络的结构、节点和特点。然后，详细介绍了智能家居系统的设计过程。系统的硬件配置由主控、无线收发器和传感器终端三部分组成; 该系统的软件部分包括基本射频WSN程序和主模块STM32程序。之后，将建立的系统应用于温度采集和控制。结果表明，收集的温度与温度计测的温度吻合较好。最后，用一个电位器和一个LED灯成功地模拟了系统的温度控制效果。研究结果为智能家居的设计提供了新的思路。
关键字——无线传感器网络(WSN)，智能家居，基本射频(RF)，STM32
1介绍
随着传感器，半导体和嵌入式系统技术的发展，无线传感器网络(WSN)已成为研究热点。通过各种微型传感器，WSN可以实时监测、感知和采集分布式环境的信息，并将处理后的信息传递给用户。在多年来，该网络系统已应用于许多领域，从工农业控制、城市管理、国家安全到防灾减灾[1]。
WSN是尖端信息技术的有机整合，例如作为数据传感、嵌入式计算、无线通信和分布式信息处理。它比传统的有线通信网络[2-4]更加灵活、稳定和具有可扩展性。特别是，WSN支持多跳组监测的设备，以及实时处理监控信息[5]。可以说，WSN为国内外学者开辟了一个新的研究领域[6，7]。
WSN的潜在应用领域之一是智能家居的创新。这个概念最早是在美国、加拿大和澳大利亚等发达国家提出的[8，9，10]。如今，智能家居越来越被那些追求便利生活方式的人们所接受[11，12]。传统上，智能家居系统是以有线家庭网络为基础，这既昂贵又难以维护。通过与远程控制技术相结合，将WSN集成到智能家居中系统中。此举极大地增强了家庭网络的灵活性，稳定性和可扩展性 [13，14]。
智能家居产业在国外起步较早，发展较快。许多著名的公司都涉足这一领域，如霍尼韦尔(Honeywell)和Control14。利用最新的信息技术，为普通民众创建一个安全、舒适、便利的生活环境[15，16]。例如，Control14智能家居系统可以根据个人需求情况灵活配置[17，18]。然而，在中国，智能家居行业才刚刚进入应用阶段。
一般情况下，智能家居包括三个部分：外联网、内联网和网关。外联网可以是住宅局域网、闭路电视或电话网络，其中大多数依赖成熟的技术。内联网是连接各种家用设备的局域网。Intranet的形式随设备的不同而不同。网关将Intranet连接到Extranet，从而使Extranet可以控制网络设备。此外，网关支持不同的联网技术，以便每个子网中的联网设备可以相互通信。智能家居系统的架构如图1所示。
图1.智能家居系统的架构
基于上面所述，本文设计了一个基于基本射频(RF) WSN的智能家居系统。首先，介绍了无线传感器网络的结构、节点和特点。然后，详细介绍了智能家居系统的设计过程。将建立的系统应用于温度采集与控制。结果表明，测得的温度与温度表测得的温度吻合较好。最后，用一个电位器和一个LED灯成功地模拟了系统的温度控制效果。
2无线传感器网络的原理和特点
2.1WSN架构
WSN系统主要由传感器节点、汇节点和任务管理节点三部分组成。每个部分都有自己的功能。监测区域内分布着大量的传感器节点，无线通信网络以自组织的方式将数据传输给宿节点。接收到网络节点传输的传感器数据后，汇节点通过外网(如卫星通信网络)将数据转发给任务管理节点。任务管理节点可以通过终端显示对区域内的操作进行监控，也可以对传感器网络进行远程管理。
无线传感器网络的架构如图2所示。
任务管理节点
云端
汇节点
监测区域
用户
传感器节点
图2.无线传感器网络架构
传感器节点在自己构建的网络中进行数据采集。传感器节点的存储和处理能力有限，大多数节点处于休眠状态，以节省电力。每个节点的生命周期都超过一年。汇节点具有较强的处理能力和存储能力。它通常采用固定电源供电，随时接收传感器网络传输的数据，并通过外网将数据转发给任务管理节点。任务管理节点可以对传感器网络中采集的数据进行重新接收，实现对传感器网络状态的监控。它还可以发送控制命令来配置和管理整个传感器网络。
2.2WSN节点结构
传感器节点是具有数据处理、存储和无线路通信功能的微型嵌入式系统。它由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。节点的结构如图3所示。节点通过采集传感器数据获取监控区域内的环境参数，处理器模块对传感器数据进行处理和存储。处理后的数据通过无线通信模块逐个传输到汇点，能量模块为节点的正常运行提供能量。由于电池很小，节点通常消耗非常低的能量，以确保节点可以长时间运行。
收发器
MAC
网络
传感器模块
传感器
A/D
电源模块
处理器模块
进程存储器
无线通讯模块
图3.无线传感器网络的节点结构
2.3无线传感器网络的特征
无线传感器网络具有以下特征：
1.大型网络。节点广泛分布在监测区域，通过数据融合算法可以提高监测精度。这些节点密集地部署在监测区域，因此可以监测大的地理区域。因此，WSN是一个大型网络。
2.特设网络。在无线传感器网络中，节点的位置是不确定的。节点可能通过随机播种的方式分布在监控区域，因此节点需要形成自己的网络，然后通过网络传输数据。
3.动态网络。在WSN中，节点数、传感对象和监测环境可以随时变化，是一个动态网络。
4.可靠的网络。传感器节点随机分布在监测区域，网络节点需要可靠运行，不易损坏，数据传输节点应具有一系列可靠的响应机制，以保证监测数据的可靠传输。
5.数据中心网络。无线传感器网络中节点之间的通信是以网络中的数据传输为基础的。传感器网络监测的对象是不确定的，通过数据交互对网络中的节点进行识别。
3硬件设计
基于WSN的智能家居系统的设计主要包括传感器采集数据、无线收发芯片发送或接收数据和指令、主芯片处理数据三个部分。该系统主要由主控和传感器两部分组成。主控制终端用于接收和分析传感器终端的数据，传感器终端用于获取和传输数据。主控制器的功能由mas-ter控制模块和无线收发模块实现，传感器终端的功能由无线收发模块和智能传感器模块完成。
智能家居系统的硬件设计如图4所示。
智能传感器模块
智能传感器模块
无线收发器模块
无线收发器模块
家用电器
主模块
无线收发器模块
主控模块
图4.智能家居系统硬件框图
3.1主控设计
主控制器由主控制模块和无线收发器组成。它被设计用来接收来自每个传感器终端的数据。通过数据分析，完成对家电的控制。主控制单元可以决定是否添加或删除其他传感器终端，还可以向传感器终端发送、接收和分析处理指令。主控制模块协调其他模块，使整个系统能够有序运行，并对采集到的数据进行分析处理。它还可以与计算机连接，在开发环境的帮助下将程序写入单片机，显示传感器采集到的数据和信息，选择系统的功能。主控模块的数据处理芯片为STM32。
3.2无线收发器模块设计
无线收发模块由无线收发芯片和天线等组成。利用单片机进行数据传输，接收和传输单片机的命令，将指令发送给其他传感器终端，获取传感器终端的数据。该模块采用Nordic的单片射频收发器n RF905作为无线收发芯片，对数据或命令进行收发。
3.3传感器端子设计
传感器终端由智能传感器模块和无线收发模块组成。传感器终端用于数据采集和传输。采用DS18B20作为温度传感器采集温度数据。单片机将采集到的数据发送到液晶显示屏上显示。湿度传感器HS1101用于采集湿度数据。单片机将采集到的数据发送到液晶显示屏上显示。
4软件编程
4.1基于Basic-RF的无线传感器网络程序设计
根据实际需要，选择TI公司CC2530芯片的基础射频无线通信协议作为智能家居系统的无线传感器网络。无线传感器网络由协调节点、路由节点和终端节点三部分组成。协调节点是无线传感器网络的核心，它是用户的家庭控制命令最终发送到的位置。无线传感器网络中的路由节点负责数据传输。实际上，每个房间都安装了一个路由节点，以确保所有的家庭控制命令最终都能传输到终端节点来控制家电。WSN协调器向相应的路由节点和终端节点发送命令，最后将控制命令发送到家用电器终端。家电终端接收控制指令，完成控制响应后发送反馈信息。反馈按与控制命令相同的路径发送，但方向相反。家庭网络中无线传感器网络的结构如图5所示。
主模块协调节点
路由节点
路由节点
终端节点
终端节点
终端节点
家庭内外无线传感器网络
图5.无线传感器网络的结构
4.2主控制模块STM32的编程
智能家居的主控模块基于STM32 microcon- troller，智能家居系统中STM32的程序流程图如图6所示。
否
否
是
是
否
是
更新列表信息并发送命令
向协调器节点发送控制命令
向协调器节点发送控制命令
是否获取协调器
发送的节点信息
是否接收到控制短信
是否接收到网络数据
初始化无线传感网络的协调器节点
初始化短信模块相关设备
初始化网络相关设备
初始化相关外设和变量
图6.智能家居系统中主控制模块STM32的程序流程图
5实验与结果分析
5.1温度测量实验
系统采用Dallas DS18B20作为温度传感器，温度范围为-55-125℃。在实验中，由于人体在0.1℃范围内无法感觉到室内温度的变化，所以测量精度仅为小数点后一位。温度测试是在一个加热的房间里进行的，温度计的温度变化范围在11-14℃之间。最低温度在通风期间测量然后在中午测量最高温度。实测温度表和曲线见表1和图7。室内温度不是很准确，但测量误差基本控制在plusmn;0.6℃范围内，符合设计要求。
图7.温度测量曲线
表1. 温度采集数据
|
测试序列号 |
温度计温度/℃ |
系统温度/℃ |
测量误差/℃ |
|
1 |
12.0 |
12.6 |
0.6 |
|
2 |
11.5 |
11.3 |
-0.2 |
|
3 |
13.0 |
13.2 |
0.2 |
|
4 |
13.4 |
13.3 |
0.3 |
|
5 |
12.5 |
12.6 |
0.1 |
|
6 |
12.0 |
12.5 |
0.5 |
|
7 |
13.6 |
13.1 |
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