家庭室内智能网络系统设计

     摘要：为了能够实现对家庭环境数据的采集处理以及对家用电器的自动控制，对家庭智能网络系统整体设计进行了研究。整个网络以ZigBee技术为基础，应用JN5121模块，对网络中的各种节点进行设计，实现整个系统中各个节点之间无线通信的功能。该系统可以将家庭环境的数据通过短信发送到指定的用户手机中，用户还可以通过互联网对其进行访问，通过互联网终端对系统下达指令。本系统功耗超低，网络组织灵活，成本较低，安全可靠，性能稳定。
关键词：室内智能网络系统；自动控制；ZigBee；网络节点

    随着经济不断发展和电子信息产业的不断进步，智能居家系统早已引起了人们的注意。国外智能家居产品主要注重于家庭内部的功能实现，主要是两种产品：以安全报警为主的系统和同时具有安防报警与家庭自动化功能的产品，但它的价格比较高，在中国市场推广时遇到了阻力。在国内，智能家居起步相对较晚发展都相对减慢，厂家的构成较为复杂，技术实力也相差悬殊，无法准确地评价其技术水平。虽然市场还没有较好的展开，但是我国的一些实力较强的公司已开始技术储备，越来越多的机构和个人开始了对智能家居的研究，因此我国智能家居的蓬勃发展指日可待。本文所提出的家庭室内智能网络系统整体以ZigBee无线通信技术为基础，以实现安防报警和家用电器远程控制的功能。

1 关键技术
1．1 ZigBee
    ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几千米，并且支持无线扩展。它的基础是IEEE 802．15．4，这是IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE 802．15．4技术标准。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。其技术的主要特点是：数据传输速率低，功耗低，成本低，网络容量大，时延短，安全，有效范围小，工作频段灵活，数据传输可靠性高，以及很好的兼容性。因此，ZigBee的主要应用领域集中在了消费家用电子产品和传感器网络领域。
1．2 JN5121模块介绍
    本文中选择的核心模块是JN5121-Z01-M01，它是JENNIC公司推出的一款应用兼容IEEE 802．15．4标准和ZigBee技术的收发芯片。JN512 1是一款兼容于IEEE802．15．4的低功耗，低成本无线微型控制器。该模块内置一款32位的RISC处理器，配置有2．4 GHz频段的IEEE 802．1 5．4标准的无线收发器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，为无线传感器网络应用提供了多种解决方案，同时高度集成化的设计简化了总的系统成本。
    JN5121内置的ROM存储器集成了点对点通讯与网状网通讯的完整协议栈；JN5121内置的RAM存储可以支持网络路由和控制器功能而不需要外部扩展任何的存储空间；JN5121内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器减小了系统的功耗和处理器的负载；JN5121支持晶振休眠和系统节能功能，同时提供了对于大量的模拟和数字外设的互操作支持，让用户可以方便的连接到自己的外部应用系统。图1为JN5121 内部结构示意图。

2 系统整体设计
    家庭室内智能网络系统主要包括家庭安全防范报警系统和家用电器自动控制系统两大部分。整体的设计框图如图2所示。


    本系统采用多传感器复合数据融合策略实现危险信号报警。传感器节点会采集家庭环境的数据并进行数据处理融合，并上报给中心节点。中心节点对传感器节点上报的数据进行判断，如果发现家庭环境数据出现异常，中心节点将会对相应的控制节点发送控制指令。而控制节点根据这些指令启动或者关闭家用电器，使家庭环境恢复到用户满意的程度。路由节点使数据和指令在传送过程中找到最佳的路径，准确快捷地达到目标。由于采用无线通信技术，路由节点在网络中的位置不会受到角度、障碍物等因素的影响，非常灵活。
    在中心节点发现环境数据异常的同时，它命令短信节点将数据通过GSM网络将环境数据以短信的形式报告给用户，使用户掌握家中的环境情况。用户还可以通过互联网来对家中的智能网络进行访问，并通过网络来控制家中的电器。系统所有节点的电源均使用微型电池。
2．1 传感器节点
    本系统的传感器节点采集光、温度、湿度、光电、液位、电磁感应、压力等信号。这些传感器节点被设置在用户家中的窗、门、厨房等位置。传感器节点的原理框图如图3所示。


    传感器采集到家庭环境的信号后，通过A／D转换器转换，经过微处理器的数据融合处理，再利用通信模块对数据发进行发送。微处理器还负责对A／D转换器和通信模块工作的控制。
2．2 路由节点
    由于家用电机众多，中心节点与传感器节点和电器控制节点距离较远。因此在它们之间加入了路由节点，以保证信息能够通过最佳的路径，准确快捷达到目的地。在本系统中，路由器节点可以设置在用户家中各个房间的链接处。路由节点的作用是对接收到的数据或命令进行信号加强后找到最佳路径之后再转发。

2．3 中心节点
    系统初始化之后，中心节点向各个子节点发送指令，规定各类传感器节点30 min发送一次采集的数据。在接收到由传感器节点发送过来的数据后，中心节点先对数据进行分析，判断是否出现数据异常，当数据出现异常时，立即向该异常节点附近节点发送要求数据的指令，如
果该节点周围节点数据也出现高于平均值的情况，则判断为出现异常情况。并根据具体的数据，例如温度、光强、湿度等，来对相应的控制节点发送家用电器的操作命名，实现对家用电器的自动控制功能。中心节点的位置一般设置在用户家中的主室之中，和PC主机应用RS 232
串口相连。中心节点的原理框图如图4所示。

2．4 控制节点
    控制节点的功能是接受并执行中心节点传来的指令。控制节点执行的目标是用户家中的家用电器。为了能够很好地实现这个目标，控制节点在安装时尽量靠近家用电器。控制节点的原理框图如图5所示。

    通信模块负责指令的接收与家用电器状态数据的发送；控制模块负责根据命令开启或关闭家用电器。

3 网关的设计
3．1 GSM短信
    系统的中心节点确定有家庭环境数据异常的同时，中心节点会将异常的数据发送给短信节点，短信节点通过GSM网络以短信的方式将数据发送到指定的用户手机中，使异地手机用户随时监测本地网络动态。此时，短信模块将接收到的ZigBee协议的数据解析，然后封装成符合GSM网络协议的帧格式，接入到移动通信网络，实现私有网络与G网的协议转换，即完成GSM网关功能。
3．2 互联网
    本系统可以通过互联网进行访问。这就需要将ZigBee无线通信协议和常用的互联网的TCP／IP协议互相转换。
    中心节点通过RS 232串口与用的PC主机相连，PC主机通过网卡与互联网相连。智能网络通过串口将数据发送给主机，主机应用软件将符合ZigBee协议的数据解析，再封装成符合TCP／IP协议的数据包，发送至互联网中，这样用户就可以在远程互联网终端对智能网络的情况进行查看。同样，当用户在远程互联网终端向家中的智能网络下达命令时，主机应用软件将符合TCP／IP协议的数据包解析，在封装成符合ZigBee协议的数据包，通过串口发送给家中的智能网络。这样就完成了用户通过互联网与家中智能网络交互的目的。
    软件实现互联网通信的方法是应用C++语言采用Socket编程实现C／S模式。

4 结语
    本系统采用无线、短距离、自组织路由功能的AdHoc通信技术，结合了各种传感器采集技术，通信网络技术、定位技术、硬件技术、软件设计等。形成具有定位、温度、湿度、压力、红外、入侵监测等的复合感知，然后控制各种电器设备工作，满足室内安全环境要求。智能网与Internet、移动通信网可连接，方便异地遥控。远程监控软件运行在PC上，显示当前室内的环境参数和设备运行状态，与Internet连接，远程用户可以通过Internet在远程终端上监控。该系统两节点之间直接通信距离不小于60 m；连接Internet速度不低于100 Mb／s；本地到远程视频放映时间小于3 s。