無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能樓宇中的應(yīng)用

邱秀玲

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息獲取的重要方法，當(dāng)前廣泛應(yīng)用在樓宇智能化建設(shè)。出于為人們提供一個(gè)舒適、安全、便捷與高效環(huán)境，在智能樓宇中的相關(guān)應(yīng)用例如獨(dú)居老人監(jiān)控、室內(nèi)導(dǎo)航、火災(zāi)救援等設(shè)備均應(yīng)明確位置信息。所以，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)等對于智能樓宇建設(shè)尤為關(guān)鍵。文章立足智能樓宇，重點(diǎn)分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能樓宇;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);應(yīng)用分析

0 引言

智能樓宇是近些年出現(xiàn)的概念，通過系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等之間的融合、自動(dòng)化監(jiān)控樓內(nèi)設(shè)備、高效管理信息資源，從而為人們提供舒適安全的環(huán)境。智能樓宇的前提是有效監(jiān)控樓宇內(nèi)資源，而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控離不開有效定位樓宇內(nèi)人員及設(shè)備。但實(shí)際上，ZigBee技術(shù)通過信號傳播能量定位，不僅受限內(nèi)環(huán)境的影響導(dǎo)致定位不穩(wěn)，而且精度并不高，難以滿足室內(nèi)定位實(shí)際需求。基于智能樓宇寬闊的室內(nèi)定位發(fā)展前景與現(xiàn)階段室內(nèi)定位技術(shù)的不完善，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)受到越來越多的科技公司與科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注，更是挑戰(zhàn)性極強(qiáng)的研究課題。

1 智能家居系統(tǒng)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1? 監(jiān)控模塊

不受到地點(diǎn)時(shí)間限制的智能監(jiān)控模塊，可以直接借助寬帶網(wǎng)絡(luò)或者是局域網(wǎng)絡(luò)，通過瀏覽器實(shí)施遠(yuǎn)程的語音通話與影像監(jiān)控，而且也支持遠(yuǎn)程PC機(jī)、本地卡存儲(chǔ)、移動(dòng)端進(jìn)行郵件與FTP傳輸。另外，還可以通過遠(yuǎn)程影音攝錄，提高安全防護(hù)的專業(yè)性，并且增加一定的生活樂趣。關(guān)于視頻監(jiān)控模塊，其主要功能是監(jiān)控室內(nèi)電器與環(huán)境。無線傳輸模塊比如CC2430內(nèi)具有8051微控制器內(nèi)核，能和繼電器直接接入有效控制家用電器，也能接入傳感器例如溫度傳感器等，對熱水器、空調(diào)溫度進(jìn)行控制與檢測[1]。

1.1.2 檢測模塊

該模塊的主要功能是隨時(shí)檢測與記錄房間人數(shù)，同時(shí)也能實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的體征情況，比如可以監(jiān)測房間內(nèi)是否有人跌倒并及時(shí)報(bào)警等。通過激光傳感設(shè)備對房間人數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，利用激光對射式傳感設(shè)備在房間的出入口安裝傳感器，每門安裝兩對而且每對囊括發(fā)射及接收部件各一個(gè)，可以對出入門人的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;通過超聲波測距傳感設(shè)備檢測人體的體征與行動(dòng)，使用超聲波能對物體距離進(jìn)行測量，以此測量人體的移動(dòng)情況。在天花板上安裝超聲波測距傳感設(shè)備，還能測量人體有沒有跌倒，人體如果在超聲波傳感設(shè)備的可測范圍內(nèi)發(fā)生跌倒，測量的距離數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)變化，進(jìn)而能對有人體跌倒結(jié)果及時(shí)檢測，從而為有小孩、老人家庭提供便利。

1.1.3 安防模塊

該模塊的主要功能為對房間的氣、火、電等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，避免煤氣中毒、火災(zāi)、觸電等事件發(fā)生，為家庭安全提供保障。錄入通過各種傳感器和無線通信模塊連接，以此形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，比如通過煙霧、火焰及煤氣傳感器等實(shí)現(xiàn)家居智能安防。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

該模塊可以執(zhí)行高加密語音電話、遠(yuǎn)程操控等多功能。如果業(yè)主外出辦事，能借助固定電話、手機(jī)控制家里的窗簾、空調(diào)以及燈光電器等，讓其提前進(jìn)行制熱、制冷、關(guān)閉與打開;而且還能清楚家中的電器與電路能否正常工作，獲得室內(nèi)環(huán)境中的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制紫外線殺菌設(shè)備達(dá)到殺菌、換氣的目的;依據(jù)外界天氣情況適度控制屋內(nèi)空氣的溫度與濕度。通過固定電話、手機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化的寵物喂食、花草澆水等。

1.2.2 智能監(jiān)控軟件

之所以設(shè)計(jì)家居智能監(jiān)控模塊，其主要目的是依托傳感器對家中的重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測與控制。例如監(jiān)控家居燃?xì)庠O(shè)備通過系統(tǒng)監(jiān)測在使用燃?xì)鈺r(shí)家中是否有人并進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，而一定時(shí)間之后要是家中處于無人狀態(tài)，會(huì)由系統(tǒng)發(fā)出提醒信息且將燃?xì)忾y關(guān)閉。

2 安全防護(hù)系統(tǒng)

2.1 選擇傳感器的要求

2.1.1 體積與安裝

在智能樓宇安全防護(hù)系統(tǒng)中，由于室內(nèi)環(huán)境良好，所以和工業(yè)化環(huán)境、室外環(huán)境相比，其工作適度、溫度、空氣環(huán)境均更勝一籌[2]。在選擇傳感器時(shí)，不需要如同化工應(yīng)用傳感器那樣考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜要求。關(guān)于體積方面應(yīng)盡可能小，而且也沒有特殊的安裝要求，可以依據(jù)使用需求隨意安裝。

2.1.2 傳感器通信方式

從某種角度來講，傳感器通信是確保傳輸傳感器數(shù)據(jù)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。在選擇傳感器時(shí)應(yīng)關(guān)注節(jié)點(diǎn)控制器的選擇，而在此應(yīng)關(guān)注傳感器通信方式的選擇，也就是傳感器和控制器間需具備一樣的通信方式，這樣檢測數(shù)據(jù)才能實(shí)時(shí)被輸送到節(jié)點(diǎn)控制器。

2.1.3 測量精度

其實(shí)在測量精度方面也不需要過高的要求。與化工環(huán)境不同，測量的參數(shù)會(huì)對化工產(chǎn)品質(zhì)量造成直接影響，而測量參數(shù)在樓宇環(huán)境中，更多是作為參考值。有關(guān)控制系統(tǒng)，會(huì)對動(dòng)作閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)定，以煙霧傳感器為例，如果煙霧濃度高出一定閾值會(huì)發(fā)出煙霧報(bào)警[3]。需要注意的是，傳感器精度不應(yīng)該太低，這是因?yàn)榫x過低會(huì)降低參數(shù)檢測的靈敏度與精度，難以發(fā)揮理想的監(jiān)控作用。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 控制器模塊

在安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以采用STC12LE5616AD單片機(jī)作為控制器，它是功耗低、高速、抗干擾能力強(qiáng)的新一代8051單片機(jī)，而且和傳統(tǒng)8051完全兼容，速度能快8至12倍左右。STC12LE5616AD系列單片機(jī)還可提供另外的高速串行通信接口。安全防護(hù)系統(tǒng)主要使用SPI接口與控制器A/D轉(zhuǎn)換功能，控制器能夠把傳感器收集的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，然后借助SPI接口和無線通信傳輸數(shù)據(jù)[4]。因?yàn)镾TC12LE5616AD和安全防護(hù)系統(tǒng)可以使用相同的工作電壓，比如都是3.3 V，這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了電源硬件設(shè)計(jì)的簡化。

2.2.2 無線通信模塊

安全防護(hù)系統(tǒng)中可以設(shè)計(jì)使用nRF905無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)芯片，這種芯片工作于433/868/915 MHz ISM頻段，能夠借助SPI接口實(shí)現(xiàn)配置，兼容系統(tǒng)所選的控制器。SPI接口由功率放大器、頻率調(diào)制器等內(nèi)部寄存器組成。

2.3 構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

通常的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要包含匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)以及管理節(jié)點(diǎn)。針對傳感器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，順著其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐跳傳輸，在實(shí)際的傳輸過程中可通多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過多跳后路由至匯聚節(jié)點(diǎn)，依托衛(wèi)星或者是互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。針對構(gòu)建的任意無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能有效控制傳感器節(jié)點(diǎn)通信功率，以此在確保網(wǎng)絡(luò)連通性的基礎(chǔ)上能避免節(jié)點(diǎn)間存在的通信干擾，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)整體通信效率。以智能樓宇具體情況為依據(jù)，可以設(shè)計(jì)樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需注意的是其維持星形拓?fù)涞暮啙嵭?，較低存儲(chǔ)器需求和較少上層路由信息，從而降低成本[5]。采取新的“多跳”能力可處理因?yàn)楣牡偷腞F收發(fā)器所引發(fā)的覆蓋面積問題，這樣網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者與架構(gòu)者不需要通過功率大距離遠(yuǎn)的無線通信器，便能夠覆蓋范圍更大的區(qū)域。這一系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流設(shè)計(jì)程如下：依據(jù)具體情況，各個(gè)樓層安裝數(shù)量不同的溫度、煙霧以及紅外傳感器。而且每一個(gè)傳感設(shè)備攜帶一片無線通信板塊與控制器，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。所謂各個(gè)樓層，主要指的是一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，每個(gè)樓層終端節(jié)點(diǎn)把所采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)脚c之相應(yīng)的匯聚節(jié)點(diǎn)，由此匯聚節(jié)點(diǎn)依托GPRS模塊把數(shù)據(jù)輸送到監(jiān)控室的上機(jī)位。

除以上兩種智能樓宇系統(tǒng)，也可以把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在溫室群自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。對溫室監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用情況與發(fā)展過程進(jìn)行研究分析，能明確在溫室群監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備可行性與適用性。設(shè)計(jì)主要思想是將單個(gè)溫室作為單位分簇，分配一個(gè)溫室號且依據(jù)溫室號進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)[6]。

3 結(jié)語

首先，本文設(shè)計(jì)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為支撐的智能家居系統(tǒng)，不僅具有強(qiáng)大的信息交互功能，而且對居住環(huán)境加以優(yōu)化，幫助人們提高空間使用效率與節(jié)約各種能源，可以遠(yuǎn)程控制家電設(shè)備，同時(shí)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢相結(jié)合，提供較強(qiáng)移動(dòng)性、靈活布局、穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)募揖酉到y(tǒng)。其次，本文設(shè)計(jì)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為支撐的安全防護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)的微控制器采取STC12LE5616AD單片機(jī)，而系統(tǒng)中的無線通信模塊采取nRF905無線收發(fā)芯片，通過兩者構(gòu)建樹狀無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第一，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立安全防護(hù)管理系統(tǒng)替代以往使用的樓宇報(bào)警系統(tǒng)，防止在緊急情況發(fā)生時(shí)傳統(tǒng)方式在報(bào)告方面存在的滯后缺點(diǎn)。第二，通過樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在匯聚節(jié)點(diǎn)上統(tǒng)一收集傳感器所采集的樓層信息，而且對數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳遞，將其實(shí)時(shí)輸送至監(jiān)控室上位機(jī)，以此能減少維護(hù)安全設(shè)施設(shè)備的時(shí)間。

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（編輯 王永超）