無線傳感器在智能家居上應用設計的探討論文

科學技術發展帶動了無線傳感器的快速發展，使其實現了在微小體積內完成信號收集、處理和輸出等多種功能。無線傳感器在智能科技家居上的應用主要是通過節點在一定區域內形成一個網絡系統，完成對各種信息的收集、處理，並將其發送給觀察者。

1 無線傳感器在智能家居中應用的重要性

科技時代的來臨，人們的生活質量得到了更大程度的提高。現在家居生活逐漸向智能化發展，各種系統的智能化使生活更加輕鬆、有序、高效，智能化家居逐漸成為科技時代背景下的必然趨勢。但是，在發展的過程中要正視，因為我國家居智能化起步比較晚，與國外發達國家相比還存在很多不足，逐漸凸顯出一些問題。例如智能家居組網方式的選擇難，傳統的先組網方式已經不能適應社會發展的需求，而傳統的無線組網方式造價比相對較高，更不易選擇。或者是整個系統因為節點、標準以及接口等問題運行不穩定。只有解決這些存在的問題，才能更好地實現智能家居的建設，才可進一步為人們提供更高質量的服務。而無線傳感器在智能家居上的應用剛好滿足這一要求，以無線傳感器存在的優點來彌補傳統智能家居系統的不足，使得智能家居真正實現“智能”，將各種子系統聯繫在一起，實現信息共享。無線傳感器在智能家居中的應用，主要是通過設置在區域環境中多個傳感器組節點形成一個無線多跳自組織的網絡系統，實現家居中安保系統、家電控制系統以及網絡應用系統等有效的整合，保證觀察者可以實現實時監控。

2 無線傳感器在智能家居上應用的難點

無線傳感器在智能家居中的應用在一定程度上已經超出了傳統的網絡範圍。因為在智能家居中的應用中，節點的組成已發生了轉變，不再是與傳統系統中相同節點的組成，而是將功能單一與獨立工作的節點聯繫起來，由傳統的網絡系統轉變為一個異構的系統。同時，因為在智能家居中某些家電設備或者是辦公產品不是靜止不動的，這就使系統內的節點具有了移動性。網絡系統由傳統的靜止轉變為動態，同時拓撲結構也可能會發生轉變，這就要求整個無線傳感器網絡系統具有更強的適應性，保證本身具有動態系統的可塑性。針對無線傳感器網絡系統中節點的異構性和動態性，其在智能家居中的應用難點主要就是對動態節點的控制。另外還有就是在工程應用上存在的問題，也就是將來自不同廠家的家電以及傳感器執行器進行有效互聯，進行統一管理。家電設備生產規律決定了各種電器設備來源的多樣性。對於電器設備的生產，各個廠家是各有所長，因此消費者在進行選購時一般都是根據質量而不是根據生產廠商進行確定，造成了各個電器設備節點的不同，為如何將不同廠家不同類型設備互聯提出了更高的要求，此問題已經成為無線傳感器網絡在智能家居上應用的難點。

3 無線傳感器在智能家居上應用設計

3.1 無線傳感器網絡節點硬件設計

無線傳感器網絡節點硬件設計主要包括傳感器單元設計、處理器單元設計、無線通信單元設計以及能量供應單元設計四部分。本文主要以温度傳感器為例進行設計，傳感節點主要包括電源(電池組)人體紅外傳感器、温度傳感器(18B20)、接口、單片機(MSP430F1232A)、無線收發芯片(NRF905)。

(1)傳感器單元設計。在此傳感器節點的選擇只有温度傳感器和人體紅外傳感器兩個節點，其中温度傳感器選擇的是DS18B20，具備體積小、電路簡單、成本低以及精度高等特點，內置集成測温傳感器和邏輯控制電路。人體紅外傳感器節點的設置主要是用來對家居環境內人物是否存在進行檢測，其原理是根據温度高於絕對温度-273℃的任何物體都會具有紅外光譜，並根據光譜長度對區域環境內的紅外波長進行確定。如果環境內有人物存在就會將自身存在的紅外線通過濾光片加強後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，經系統處理後就會引發報警系統。

(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、時間長等超低功耗的優點。並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，整個工作系統比較穩定。

(3)無線通信單元設計。無線通信設備選擇的主要是無線收發芯片NRF905，

具有低消耗的特點。整個單元主要是由調節器、功率放大器、晶體振盪器、自帶調節器的接收器以及完全集成的頻率調製器組成。另外，在沒有碰撞控制或者是有噪聲的區域環境中，數據包的重複發送是提升系統可靠性的一種有效方式，無線收發芯片NRF905在這一方面具有很大的優勢，實施比較方便。

(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餘監視電路組成，其中電池組可以選取節號電池來組成，監視電路主要構成為MAX836。能量供應單元設計相對簡單，但是也最為重要，沒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 通信協議設計

這裏講的通信協議主要是路由協議，根據現在無線路由器自組網中的平面路由協議可以分為按需路由協議和主動路由協議兩種。

(1)按需路由協議。按需路由協議認為在無線傳感器自組網中沒有必要去維護其他節點的路由，只有在沒有與目的路由進行連接的時候才會“按需” 發現路由。其優點是在對信息傳播時不需要週期性的'路由，節省了大量的網絡資源。缺點是節點數據包發送時，沒有目的節點路由，會發生延時。按需路由協議一般主要包括髮現和維護兩個過程，在源節點發現存在路由節點沒有去往目的節點時，就會引發路由發現過程。而路由維護過程只有通過鏈路失效檢測機制才能進行觸發。現在經常用的按需路由協議主要有DSR協議和AODV協議。

(2)主動路由協議。區別於按需路由協議，主動路由協議是主動去尋找路由，認為無線傳感器自組網節點應該對網絡中所有節點進行維護。與按需路由協議相比其具有一定的優點，在節點發送數據包時，如果存在目的節點，其中延時概率

會大幅度降低。但是同時也具有缺點，主動路由協議網絡開銷比較大，同時原有路由更新會因為拓撲結構的動態變化很快變成過時信息。現在常用的主動路由協議主要有DSDV協議和WRP協議。

3.3 智能家居網絡拓撲結構設計

無線傳感器網絡在智能家居上的應用，實現的前提就是要選擇建立一個科學合理的拓撲結構。一個合理的網絡拓撲結構可以提升家居網絡的速度，將其具有的優點進行擴大，使網絡具有的整體功能更完美地發揮出來。現在智能家居網絡拓撲結構一般採用的都是星狀網絡。具有的特點是網絡結構簡單，連接方便，更重要的是管理時效性高。無線傳感器在智能家居上的應用，通過多個節點形成自足網絡，其中智能家居網絡控制主要分為家用電器開關控制和安防、環境監測數據傳輸兩種。與現在智能家居發展相結合，設計出以控制計算機為中心的星狀網絡拓撲圖，更簡單實用。