无线传感器网络在智能家居的应用
[摘要]
随着科技的不断发展，网络信息化的程度就越来越高，使得人们的生活得到了不同程度的变化，影响着世人的生活习惯。最近几年来，随着信息技术的飞速发展，无线传感器也得到了相应的发展，起初的传感器大多用于军事方面，而很少在其他领域露面。但随着软硬件方面的突破，各项技术已经趋于成熟的地步，这样一来无线传感器就运用到了各个领域，而智能家居这一块结合无线传感器能够发挥出较大的优势。本文通过对无线传感器在智能家居当中的实际应用来进行探讨与研究。
[关键词] 无线传感器；智能家居；无线网络技术；
一、 智能家居
1.1 智能家居的简介
所谓的智能家居指的是使用网络通信技术以及综合布线来实现的一款智能系统，能够将日常生活当中的家电进行集成化，组成一个整体的管理系统，从而给人们的日常生活提供便利。对于不能的智能家电来说，所采用的技术标准各有不同，但是都是采用了网络通信这等技术来实现控制作用，这也就成为了通信技术在智能家居处于一个至关重要的作用。在智能家居当中，自动控制技术是实现智能家居自动化的重要技术成分之一，而这一技术的发展并运用到智能家居当中，则代表了人们正在逐步进入智能化的时代[1]。
简单的来说，智能家居是利用计算机网络、自动化控制以及网络通信等技术来完成的家居智能化系统，而这一技术的出现，使得人们在对家居的控制变得非常之方便快捷，通过互联网来完成各个设备之间的互动操作，做到远程遥控的目的。
1.2 智能家居系统在国内外的发展趋势
随着信息化的来临，智能家居已经逐渐的被推向了热门浪潮当中，成为了人们关注的重点。随着智能系统的不断的更新以及多面化的发展，我国在智能家居方面已经开始逐步赶上国际水平，但由于当今市场还难以接受智能家居的来临，导致智能家居的发展十分缓慢。而国外则在此方面已经完全领先于我国，在智能家居方面，国外已经开始运用到了实际的生活当中，并且使用范围越来越广，逐步的成为当今生活的主流。而且智能家居方面国外已经拥有一套成熟系统来完成系统的控制。
二、 无线传感器网络
现如今的无线传感器利用了许多的技术结合而成，对于智能家居的发展起到了一个关键的作用，通过利用分布式的信息处理技术以及通信技术来完成对智能家居的控制作用，使用数据收集器来获取相关的数据并且传递给处理器，以此来完成对家电的远程控制。
对于智能家居的应用来说，无线网络是相当之重要的，它能够让用户远程的建立连接，完成数据之间的交互，并且采用红外线以及射频技术实现网络之间的通信，由于不同媒介之间存在不同的传输问题，因此无线网络技术与有线网络就在这种情况下就体现出其优劣性。而采用无线网络的形式可以解决远距离传输问题，并且在实际应用当中具有广泛的市场前景。
2.1 网络的体系结构的分析
网络当中的体系结构是需要利用传感器中的节点进行数据的收集，并且通过节点进行数据的相互传递，当数据在数据收集器当中时，会使用中继方式来完成数据的传递作用，与此同时会发出相应的指令来驱动节点进行工作。而管理节点则是将得到的数据进行处理，当完成处理后则向处理器发出新的任务。其结构原理图如下图所示：
图2-1 网络体系结构原理图
2.2传感器的节点
我们通常所说的无线传感器当中所存在的节点的目的是为了能够在设备当中进行数据的采集并将信息进行传递的子模块，其中传感器的节点是利用定位、通信、电源以及通信这几个模块进行整合而成的，其相互作用促使传感器在使用当中起到了一个关键性的数据交互的作用。传感器的节点原理图如下所示：
图2-2 传感器节点的结构图
定位发现模块是利用传感器中的节点来得到相应的数据，并且通过对数据进行处理而一个功能模块。处理模块则是将得到的一切数据进行处理操作并且保存下来。移动模块则是利用收发器的原理将外界得到的数据通过无线通信的方式来完成传递。最后的电源模块部分的目的则是给整个电路提供工作电流，以此来完成整个电路的正常运转。
2.3网络协议
从以上进行分析和介绍可以知道，处于第一层位置的是物理层，这一层当中能够为信号提供发送以及传递的功能，是所有协议的基础层，是不可缺少的协议组成部分。其次第二层则是数据链路层，而这一层是利用设备与传输数据的载体进行连接，其目的是为了能够完成数据之间的相互传递，并且将数据转换为帧，实现差错的控制作用。再往上则是第三层网络层，在这一层当中需要对路由进行选择，将数据之间的连接进行维护工作，并且采取建立或者是维护的主要功能，实现通信服务之间的数据传递效果。第四层是传输层，其主要的目的是为了方便数据之间的传递以及存储。最后一层则是应用层，作为协议层当中最高的处理层，它能够直接调用应用程序来实现管理，并且拥有监控任务的作用，能够在合理的资源使用下，完成个功能模块的协调一致。在这些协议层当中，数据的传输不仅仅需要考虑到丢包问题，还需要考虑到的是资源是否出现浪费的问题，并且在路由的选择算法上应尽量做到最优，使传感器节点能够完成相应的工作任务，让传感器发挥出最大的优势。
图2-3 无线传感器的网络协议层
三、 智能家居的ZIGBEE的实现
随着智能家居的开始广泛运用到各个家庭当中，其技术也在不断的更新和发展。面对这无线网络技术的更新，ZigBee这种无线通信网络技术已经越发的成为当中的热点，并且广泛的运用到了智能家居的设备当中，该技术是一种耗电极低，且成本花费最低的技术。跟以往的无线技术对比，ZigBee能够利用房间内所放置的路由节点进行组合而成的，同时也是智能家居当中必不可少的无线收发的功能模块，一旦缺少此模块，则无法实现远程遥控，更不可能实现智能家居方面的应用和管理。而且由于覆盖的范围相对较广且网络的稳定性相对较强，从而使得这种技术被广泛的使用到智能家居的各个方面。
3.1 智能家居当中的实现过程
在现如今的智能家居设备当中，网络控制器作为主节点，通过使用ZigBee来完成智能网络的运用，其他节点会随之加入这个智能网络当中，完成相应的工作。其中，如果要对智能家居当中的设备实现控制效果时，则会通过主节点来寻找分节点的ID来进行控制，而这一控制的前提是将控制信息发送到该设备所处的房间当中的路由设备，并且将数据返回到其节点当中完成信息的交互，随后在接收到数据的同时驱动该功能模块来运转智能家居当中的设备，如此一来就实现了智能家居的控制效果。
3.2 ZigBee的概述
ZigBee是一种基于IEEE802.15.4的无线标准进行研发的，在传统的标准协议的情况之下，将ZigBee当中的网络层以及应用层进行定义以及修改，使得智能家居的控制仪器在数据传递的时候得到了保障，使得该网络传输效率得到了提高，并且不会发生丢包漏报的问题发生。
在ZIGBEE网络中，由两种不同类型的物理设备。其一则是全功能设备，而这种设备能够支持所有的拓扑结构，并且完成所有设备之间的通信。另外一种则是精简功能设备，其主要运用在于星型拓扑，并且能够与网络协调器进行通信，最为重要的是相对于全功能设备而言，精简设备的电路实现相当之简单。最后我们称之为ZigBee的网络协调器不仅仅能够管理网络节点，而且还能够进行节点信息的存储，这是在无线传感器当中一个十分方便的功能，在智能家居的应用当中，大多都是采用这种模式来完成节点转换成为网络指令，并且将该指令转变成为家居的控制方式。
3.3 ZigBee的节点类型
ZigBee网络有许多不同的节点类型，其中大多数的应用当中有以下三种类型：
协调器：现如今的ZigBee的网络PAN当中，只能拥有一个协调器，而这能够对网络进行配置，并且维护其网络，对节点进行关系的绑定。
路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在；在网络的使用当中，在路由器作为节点的情况下，其主要的扩展网络是在网络当中实现父节点，并且接收设备之间的接入问题，利用路由的发送消息功能来完成数据的传递。其中路由节点存在于网状网络当中，以此来实现节点的分配。
终端设备：对于终端设备来说，终端设备是无法作为父节点出现的，也就是说，终端设备只能够和自己的子设备进行主动的通讯，其他的信息则是通过父节点以及协调器来实现传递的。
3.4 家用电器和网络节点
在现如今的智能家居的应用当中，我们对家电进行操控是利用嵌入到电器当中的节点来完成控制效果的。家用电器能够根据自身的设计来划分是否是智能家电。所谓的智能家电就类似于数字电视这种类型，能够进行自我关机以及远程遥控的家电设备，这种类型的智能家电能够通过我们所发出去的指令进行对应的操作，完成某种需要的特定功能，我们就称之为智能家电。同样的节点也分为两种，一种是简单型，另外一种则是复杂型。其中简单的控制节点只能够实现按钮开关的基本功能，而复杂的控制节点则在简单的控制节点所拥有的功能的基础之上，还加入了电路控制的实现功能。我们区别简单或者是复杂这两类节点是为了能够降低成本并且提高工作效率。
3.5网络结构
当今市面上，无线传感器在网络拓扑上有两种不同的表现形式。一种是星型，另外一种则是点对点型。在家庭用网的情况下，我们大多都是采用网络协调器来完成对家电的控制作用，这个时候我们会选择星型网络的拓扑结构。但是有的时候会出现特殊情况，比如说电视机和录像机一起关联起来运作的时候，则需要在电视机播放的情况下，用录像机来录制电视节目，这种情况我们就需要采用点对点的拓扑方式来完成这一功能，以便他们之间没有其他的设备作为干扰。
3.6网络的组成成分
完整的智能家居系统包括：网关是实现家庭网络和外网的连接口，这样我们可以通过INTERNET来对家庭网络中的网络协调器进行指令传输。GPRS系统，有了该系统我们可以通过移动通信网络用手机实时的对家庭网络进行监控。网络协调器，实现对嵌入在家用电器中的控制节点进行指令控制，从而实现对家用电器的远程无线控制，同时它还需要多种通讯协议转换功能。在ZIGBEE实现的智能家居中我们应用Getway设备，因为它集成了网关、GPRS和控制功能。如图3-1所示。
对于一个完整结构的智能家居系统来说，必须要的组成成分大致有如下几个，而其组成部分各自实施自己的功能模块，以完成整个智能家居系统的正常运作：
网关作为网络的接口，通过完成家庭网或者是外网的接口对网络协调器实现指令的传输，以此来完成第一步的操作。
之后我们还需要一个GPRS系统，因为只有有了这个的前提条件之下，我们才能够接收移动通信的网络来对家庭网络采取监控作用。
网络协调器同样是智能家居系统当中不可缺少的一部分，它能够实现家电当中的控制节点的操作，以此来完成远程无线的操控功能。
最后我们使用ZIGBEE来完成所有电路设备的连接控制。具体如下图所示：
图3-1 智能家居系统的组成成分
四、 需要解决的问题
面对当前国内所发展的无线传感器的技术水平来说，其存在着许多问题，而且难以实现大规模的使用，下面就探讨无线传感器严重存在的几个方面问题：
1）网络内部通信问题相当严重，无线传感器中的网络虽然能够进行内部的正常通信，但是其信号如果收到了某种阻碍亦或者是被干扰的情况下，那么通信方面就面临着巨大的挑战，而这一问题如果不解决，则会导致无线传感器的发展止步不前。
2）成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。 在无线传感器的网络当中，在实现通信的情况下，是需要大量的传感器作为前提来完成通信工作的，而这就出现了成本方面的问题，同样的这也是限制其发展的问题之一。
3）其次，在能源使用方面，由于使用的是高能电池，这样一来就会出现系统的电量供应不足的问题，而电源方面往往都是电子设备的一大杀手问题。而传感器网络当中出现的无线充电技术还未成熟，无法解决这一问题，使得智能家居受到严重的制约。
4）无线传感器的网络结构是组织无线传感器当中的成网技术，其具有多种不同的形态以及方式，能够在合理的情况下使用无线传感器时，达到一个最大程度的资源使用。其中还包含了网络安全协议问题，以及传感器当中网络节点的移动控制等问题，这些都是无线传感器网络结构出现的问题，同样急需解决。
五、 结束语
本文所提到的无线传感器网络确实是运用在智能家居方面，但是由于国内技术水平以及其他的限制条件而无法得到全面的使用，而且国内许多公司正着力研究并且设计更加完美的无线传感器，以实现一整套智能家居为目标，提高各项设备的软硬件实力。这也许在不久的未来，智能家居的时代就会来临，并且全面的普及到每个家庭当中，提高人们的生活质量，影响着人们的日常起居。
参考文献
[1] 王汝传，孙力娟.无线传感器网络技术及其应用.北京：人民邮电出版社，2011.4
[2] 孙利明，李建中，陈渝等.无线传感器网络.北京：清华大学出版社，2013.
[3] 于海斌，曾鹏，梁韦华.智能无线传感器网络体系.北京：科学出版社，2006.
[4] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5] 李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展.软件学报，2003,14:1717-1727.
