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無線傳感器在智能家居上應(yīng)用設(shè)計(jì)的探討論文
科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)了無線傳感器的快速發(fā)展，使其實(shí)現(xiàn)了在微小體積內(nèi)完成信號(hào)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(yīng)用主要是通過節(jié)點(diǎn)在一定區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成對(duì)各種信息的收集、處理，并將其發(fā)送給觀察者。
1 無線傳感器在智能家居中應(yīng)用的重要性
科技時(shí)代的來臨，人們的生活質(zhì)量得到了更大程度的提高�，F(xiàn)在家居生活逐漸向智能化發(fā)展，各種系統(tǒng)的智能化使生活更加輕松、有序、高效，智能化家居逐漸成為科技時(shí)代背景下的必然趨勢。但是，在發(fā)展的過程中要正視，因?yàn)槲覈揖又悄芑鸩奖容^晚，與國外發(fā)達(dá)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(wǎng)方式的選擇難，傳統(tǒng)的先組網(wǎng)方式已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，而傳統(tǒng)的無線組網(wǎng)方式造價(jià)比相對(duì)較高，更不易選擇�；蛘呤钦麄�(gè)系統(tǒng)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)以及接口等問題運(yùn)行不穩(wěn)定。只有解決這些存在的問題，才能更好地實(shí)現(xiàn)智能家居的建設(shè)，才可進(jìn)一步為人們提供更高質(zhì)量的服務(wù)。而無線傳感器在智能家居上的應(yīng)用剛好滿足這一要求，以無線傳感器存在的優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的不足，使得智能家居真正實(shí)現(xiàn)“智能”，將各種子系統(tǒng)聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)信息共享。無線傳感器在智能家居中的應(yīng)用，主要是通過設(shè)置在區(qū)域環(huán)境中多個(gè)傳感器組節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)無線多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家居中安保系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)等有效的整合，保證觀察者可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2 無線傳感器在智能家居上應(yīng)用的難點(diǎn)
無線傳感器在智能家居中的應(yīng)用在一定程度上已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)范圍。因?yàn)樵谥悄芗揖又械膽?yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的組成已發(fā)生了轉(zhuǎn)變，不再是與傳統(tǒng)系統(tǒng)中相同節(jié)點(diǎn)的組成，而是將功能單一與獨(dú)立工作的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來，由傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)異構(gòu)的系統(tǒng)。同時(shí)，因?yàn)樵谥悄芗揖又心承┘译娫O(shè)備或者是辦公產(chǎn)品不是靜止不動(dòng)的，這就使系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)具有了移動(dòng)性。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的靜止轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，同時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這就要求整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，保證本身具有動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的可塑性。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性，其在智能家居中的應(yīng)用難點(diǎn)主要就是對(duì)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的控制。另外還有就是在工程應(yīng)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(zhí)行器進(jìn)行有效互聯(lián)，進(jìn)行統(tǒng)一管理。家電設(shè)備生產(chǎn)規(guī)律決定了各種電器設(shè)備來源的多樣性。對(duì)于電器設(shè)備的生產(chǎn)，各個(gè)廠家是各有所長，因此消費(fèi)者在進(jìn)行選購時(shí)一般都是根據(jù)質(zhì)量而不是根據(jù)生產(chǎn)廠商進(jìn)行確定，造成了各個(gè)電器設(shè)備節(jié)點(diǎn)的不同，為如何將不同廠家不同類型設(shè)備互聯(lián)提出了更高的要求，此問題已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能家居上應(yīng)用的難點(diǎn)。
3 無線傳感器在智能家居上應(yīng)用設(shè)計(jì)
3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器單元設(shè)計(jì)、處理器單元設(shè)計(jì)、無線通信單元設(shè)計(jì)以及能量供應(yīng)單元設(shè)計(jì)四部分。本文主要以溫度傳感器為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳感節(jié)點(diǎn)主要包括電源(電池組)人體紅外傳感器、溫度傳感器(18B20)、接口、單片機(jī)(MSP430F1232A)、無線收發(fā)芯片(NRF905)。
(1)傳感器單元設(shè)計(jì)。在此傳感器節(jié)點(diǎn)的選擇只有溫度傳感器和人體紅外傳感器兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中溫度傳感器選擇的是DS18B20，具備體積小、電路簡單、成本低以及精度高等特點(diǎn)，內(nèi)置集成測溫傳感器和邏輯控制電路。人體紅外傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置主要是用來對(duì)家居環(huán)境內(nèi)人物是否存在進(jìn)行檢測，其原理是根據(jù)溫度高于絕對(duì)溫度-273℃的任何物體都會(huì)具有紅外光譜，并根據(jù)光譜長度對(duì)區(qū)域環(huán)境內(nèi)的紅外波長進(jìn)行確定。如果環(huán)境內(nèi)有人物存在就會(huì)將自身存在的紅外線通過濾光片加強(qiáng)后作用到紅外感應(yīng)器上，紅外感應(yīng)器電荷平衡被打破，向電路釋放電荷，經(jīng)系統(tǒng)處理后就會(huì)引發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。
(2)處理器單元設(shè)計(jì)。處理器單元選擇的是單片機(jī)MSP430F1232A，具有應(yīng)用方便、時(shí)間長等超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。并且具有豐富的尋址方式以及大量的模擬指令，具有較強(qiáng)的處理功能，所以在控制單元選擇這種單片機(jī)比較具有優(yōu)勢。另外的外圍電路主要由復(fù)位電路、晶振電路、電量監(jiān)視電路以及編程接口組成，整個(gè)工作系統(tǒng)比較穩(wěn)定。
(3)無線通信單元設(shè)計(jì)。無線通信設(shè)備選擇的主要是無線收發(fā)芯片NRF905，
具有低消耗的特點(diǎn)。整個(gè)單元主要是由調(diào)節(jié)器、功率放大器、晶體振蕩器、自帶調(diào)節(jié)器的接收器以及完全集成的頻率調(diào)制器組成。另外，在沒有碰撞控制或者是有噪聲的區(qū)域環(huán)境中，數(shù)據(jù)包的重復(fù)發(fā)送是提升系統(tǒng)可靠性的一種有效方式，無線收發(fā)芯片NRF905在這一方面具有很大的優(yōu)勢，實(shí)施比較方便。
(4)能量供應(yīng)單元設(shè)計(jì)。能量供應(yīng)單元主要是由電池組和電量剩余監(jiān)視電路組成，其中電池組可以選取節(jié)號(hào)電池來組成，監(jiān)視電路主要構(gòu)成為MAX836。能量供應(yīng)單元設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，但是也最為重要，沒有電源一切皆為空談，因此要加強(qiáng)對(duì)此單元設(shè)計(jì)的重視。
3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
這里講的通信協(xié)議主要是路由協(xié)議，根據(jù)現(xiàn)在無線路由器自組網(wǎng)中的平面路由協(xié)議可以分為按需路由協(xié)議和主動(dòng)路由協(xié)議兩種。
(1)按需路由協(xié)議。按需路由協(xié)議認(rèn)為在無線傳感器自組網(wǎng)中沒有必要去維護(hù)其他節(jié)點(diǎn)的路由，只有在沒有與目的路由進(jìn)行連接的時(shí)候才會(huì)“按需” 發(fā)現(xiàn)路由。其優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)信息傳播時(shí)不需要周期性的路由，節(jié)省了大量的網(wǎng)絡(luò)資源。缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，沒有目的節(jié)點(diǎn)路由，會(huì)發(fā)生延時(shí)。按需路由協(xié)議一般主要包括發(fā)現(xiàn)和維護(hù)兩個(gè)過程，在源節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)存在路由節(jié)點(diǎn)沒有去往目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，就會(huì)引發(fā)路由發(fā)現(xiàn)過程。而路由維護(hù)過程只有通過鏈路失效檢測機(jī)制才能進(jìn)行觸發(fā)�，F(xiàn)在經(jīng)常用的按需路由協(xié)議主要有DSR協(xié)議和AODV協(xié)議。
(2)主動(dòng)路由協(xié)議。區(qū)別于按需路由協(xié)議，主動(dòng)路由協(xié)議是主動(dòng)去尋找路由，認(rèn)為無線傳感器自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)。與按需路由協(xié)議相比其具有一定的優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，如果存在目的節(jié)點(diǎn)，其中延時(shí)概率
會(huì)大幅度降低。但是同時(shí)也具有缺點(diǎn)，主動(dòng)路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)開銷比較大，同時(shí)原有路由更新會(huì)因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化很快變成過時(shí)信息�，F(xiàn)在常用的主動(dòng)路由協(xié)議主要有DSDV協(xié)議和WRP協(xié)議。
3.3 智能家居網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能家居上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)的前提就是要選擇建立一個(gè)科學(xué)合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提升家居網(wǎng)絡(luò)的速度，將其具有的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)大，使網(wǎng)絡(luò)具有的整體功能更完美地發(fā)揮出來�，F(xiàn)在智能家居網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用的都是星狀網(wǎng)絡(luò)。具有的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，連接方便，更重要的是管理時(shí)效性高。無線傳感器在智能家居上的應(yīng)用，通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)形成自足網(wǎng)絡(luò)，其中智能家居網(wǎng)絡(luò)控制主要分為家用電器開關(guān)控制和安防、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸兩種。與現(xiàn)在智能家居發(fā)展相結(jié)合，設(shè)計(jì)出以控制計(jì)算機(jī)為中心的星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，更簡單實(shí)用。
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