无线传感器网络在智能家居中的应用.doc

无线传感器网络在智能家居中的应用Wireless sensor network in the application of the smart home摘要：在现代社会信息化已经到来，而无线传感网络却是目前的一种新生技术。智能家居虽早已经存在，但那都是有线，无限传感网络将这一切变得更快捷方便。通过zigbee协议与节点，将家居、门窗、防盗系统等与手机、电脑等联系在一起，让家居的等变得智能化，营造更舒适的家居生活。Abstract：In the modern social informatization has come, and wireless sensor network is a new technology at present. Smart home is already exist, but that is the cable, infinite sensor network will it become more convenient. By zigbee protocol and nodes, such as furniture, doors and Windows, anti-theft system linked with cell phone, computer, etc, let household and so on become intelligent, build the household life more comfortable.关键字：无线传感网络、智能家居、节点、安防引言：科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术传感器技术，也得到了极大的发展。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络综合了传感器技术、嵌人式计算技术、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。 智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设施（如照明、安防、家电等）通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒适的生活。传统的智能家居系统一般是通过有线线路布线和进行各种控制来通信的，它有弊端：重新布局的话太费事费力，系统的可扩展性能差。随着现代近距离通信技术的发展，使得人们能够冲破这有线的束缚，营造更舒适的家居生活。1、 智能家居1.1什么是智能家居 智能家居是人们的一种居住环境，其以住宅为平台安装有智能家居系统，实现家庭生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。出门在外，您可以通过电话、电脑来远程遥控您的家居各智能系统，例如在回家的路上提前打开家中的空调和热水器；到家开门时，借助门磁或红外传感器，系统会自动打开过道灯，同时打开电子门锁，安防撤防，开启家中的照明灯具和窗帘迎接您的归来；回到家里，使用遥控器您可以方便地控制房间内各种电器设备，可以通过智能化照明系统选择预设的灯光场景，读书时营造书房舒适的安静；卧室里营造浪漫的灯光氛围这一切就是智能家居。1.2传统的智能家居网络的不足 现在国内智能家居系统的研究还处于起步阶段，现有的智能家居系统通常只是对一些分散的智能家庭控制子系统的研究，例如三表抄送子系统（电表、水表和天然气表）、门禁子系统、可对讲子系统、医疗求助子系统和安防子系统等。这些子系统互相独立，不能实现信息共享，使得安装和使用很不方便。目前，智能家居网络系统还主要以有线形式为主，无线只是作为有线的补充，而且网络传输和处理能力较差。一个智能家居系统应该将家居的安防系统、家电的控制系统、通信系统和网络应用系统等等应用系统进行统一管理，实现互联，系统能够自动处理各种事件，并且用户能够通过电话或者Internet进行远程管理，从而创造符合人们要求的便捷化。这就需要用到无线传感网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。2、 智能家居中的安防2.1 ZigBee协议 无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议(包括MAC层、路由、网络层、应用层等)，传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。Zigbee的基础是IEEE 802.15（IEEE 802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。）但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。2.2 安防的各个部分（1） 智能门禁系统当人走到家居门口时，红外热释电传感器感应到人体接近，促使门禁Zigbee设备主动发射获取人体身份命令信号。当人体携带着身份识别标签（也是一种Zigbee 设备）时，标签会发送加密身份信号给门禁Zigbee 设备，门禁系统经过分析判断后决定是否开启数字门锁，用户再也不用自己掏钥匙开门了。如果是一个未知身份的人体，则门禁系统会搜索家居内是否有人，如果有人则通知家居内的用户有客人到来，如果家居内没人则会远程通知智能家居安防用户有客人在家门口，通过门禁系统的摄像头采集客人的人脸图像并通过Internet发送到用户PC 上。当然远程用户也可以随时给家庭网关协调器发送命令来采集家居门口人脸的图像。当用户确认了来人的身份以后可以远程控制门禁系统开启数字门锁，让客人进屋，以免让客人在屋外等待。 （2） 智能门窗防盗所有的家居窗户上都安装有红外幕帘传感器，用来防止未知人员从窗户侵入家居。该系统是人性化的运行方式，分为白天和黑夜两种运行方式，这由协调器的实时时钟来进行控制。白天时，当家居内有人体走进一个房间时，该房间的红外幕帘即告失效，防止不必要的误报警，而当人体一旦离开房间则该房间的红外幕帘马上开启。而在夜晚的时候，用户需要设定一个时间点，当到达设定的时间点的时候，红外幕帘会强制开启，并保持到天亮。（3） 煤气泄漏监测 在厨房安装多个煤气检测传感器节点，可靠地报告厨房煤气的含量是否超标，如果超标则立即报警和远程报警通知，同时开启所有的排气扇，保证家居内人员的人身安全。（4） 火灾预警系统 在所有的房间都安装上了火灾光电烟雾探测器，对即将发生的火灾事件预警通知，合理布置火灾探测器节点，防止盲点的出现，遏制火灾事件的发生。（5） 居室内的人员定位在居室内布置有红外热释电传感器节点，用以监测家居内是否有人、位于哪一个屋，如果是佩戴有身份标签的人员则还可知其身份。这些都可以在远程监控界面中观察到。这还可以用来监督小孩子有没有在学习，是不是在客厅看电视等等，也可以监测老人们是不是在家里面等等。三、智能家具系统如图是一个无线传感器网络在智能家居中的应用的设计方案。：智能家居系统平台的结构图可见。无线网关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（GraphicalUserinterface，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。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。结束语：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，