CN104007707A

CN104007707A - 一种无线传感器网络智能家居

Info

Publication number: CN104007707A
Application number: CN201310055105.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-08-27

Abstract

本专利提出了一种无线传感器网络智能家居系统，该系统由三部分组成：家居远程监控模块、家居控制中心模块和家居控制节点模块。其中家庭控制节点模块可以根据生活的需求进行拓展。系统工作流程是：首先家居控制中心模块建立Zigbee智能网络，各个家居控制节点加入网络中，它们共同构建了一个星型Zigbee无线家居网络。当用户通过远程监控模块需要对某个家居设备进行监测或控制时，控制中心找到与该设备节点相连的ID信息，并将控制信息发往该节点，节点收到信息后，切入功能驱动模块对该家居进行相应的操作，从而完成智能家居的控制。家居控制中心模块是智能家居的核心设备和集中控制中心，对家庭网络中的各个节点进行集中控制和管理。

Description

一种无线传感器网络智能家居

技术领域

本专利提出了一种星型网络结构的ZIGBEE无线传感器网络作为家居控制子网，以扩展了INTERNET接口的嵌入式系统作为家居控制中心，以现有的能够接入以太网的设备实现对家居生活的远程智能监控，从而搭建一个完整的无线传感器网络智能家居控制系统。

背景技术

随着物质水平的逐渐提高，人们对传统家居生活有了更多的想法，需要一种更快捷、更方便、更人性化的生活方式。传统的智能家居控制一般是通过有线线路布线并进行各种控制和通信，这种方式的可扩展性比较差，一旦布好线就很难重新改造。

针对传统智能家居这种布线难、造价高、结构复杂的问题，本专利将ZigBee无线通信技术引入到智能家居中，具有免布线、维护方便、运行费用低、实时在线监控的特点。

发明内容

一种无线传感器网络智能家居是在房间、家居和家电中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet网络连接，通过安装设置的温度、湿度、光照等传感器感应室内不同位置的环境状况，从而对门窗、空调等家电进行自动控制，为人们提供智能、舒适的居住环境。

无线传感器网络智能家居系统是一套集协动控制、数据采集及实时监控等功能于一体的无线网络系统，它将与家庭生活有关的各种应用子系统有机的结合在一起，通过远程控制，让家庭生活的更舒适、安全、有效和节能。完整的智能家居系统中除了需要部署能够控制各种电器自动化工作的控制节点（一般安装在电器设备的控制器或继电器上），还需要有能够实时进行环境监测的传感器节点（如温度传感器节点、煤气传感器节点、光照度传感器节点、房屋振动传感器节点等）。

一种无线传感器网络智能家居系统由三部分组成：家居远程监控模块、家居控制中心模块和家居控制节点模块。其中家庭控制节点模块可以根据生活的需求进行拓展, 整个系统的网络拓扑图如附图1所示。本专利以家庭生活中的煤气监测作为监控节点。

系统工作流程是：首先家居控制中心模块建立Zigbee智能网络，各个家居控制节点加入网络中，它们共同构建了一个星型Zigbee无线家居网络。当用户通过远程监控模块需要对某个家居设备进行监测或控制时，控制中心找到与该设备节点相连的ID信息，并将控制信息发往该节点，节点收到信息后，切入功能驱动模块对该家居进行相应的操作，从而完成智能家居的控制。

（一）家居控制中心

家居控制中心模块是智能家居内部网络与外部网络的连接接口，用以实现网络的接入以及连接家庭内网的功能。该模块是智能家居的核心设备和集中控制中心，对家庭网络中的各个节点进行集中控制和管理。设备必须由至少一个Zigbee网络的FFD组成，一方面主导家居内部网络建立的整个过程，包括系统初始化、网络的建立、地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、数据转发表、设备关联表等几个方面，另一方面作为家居网关和设备节点之间的桥梁，完成家居网关和家居设备节点的通信，包括接收家庭各控制节点的状态信息，以及发送命令控制节点的状态。

控制中心采用系统轮询和突发事件报告机制。其工作流程为：控制中心每隔一段时间向每一个家庭控制节点发送查询命令，控制节点收到查询命令后，将当前状态发送给控制中心。如果发生紧急事件，控制节点可以向控制中心主动上报事件，控制中心处理后向远程监控平台发送报警信息。

控制中心打开电源先进行初始化，申请加入网络后直接进入休眠状态，当控制中心收到控制节点的请求时，激活控制节点，接收信息，处理完毕后继续进入休眠状态，等待有请求再次激活。

控制中心软件流程图见附图3

控制中心不仅可以主动请求所有节点信息，还要能够实现对节点的控制，比如关闭煤气阀、报警撤防、灯光控制等。因此控制中心需要定义与每个节点的控制命令，如：

#define CONDITION 0X01 //空调控制

#define GAS 0X02 //煤气控制

#define SAFEALARM 0X03 //安全报警控制

家居控制中心通过建立起来的Zigbee通信网络发出请求帧来查询或者命令无端的家居设备节点的功能，指定的家居设备节点收到正确的数据帧并完成指定操作之后自动返回一个应答帧告知命令执行的结果。

（二）家居控制节点

家居控制节点模块是家庭内网的组成部分，每个家庭可以根据自己的需求配置各种类型的传感器或者接口来控制不同的家电设备。每个节点完成家居环境内所需信息的采集，同时和家居控制中心连接做为汇聚节点与家庭内部的信息采集点进行通讯，收集信息供家居控制中心处理。要实现这个目标只需要在被控制的家电中安装上短距离低速率无线通信模块并将其组成一个无线网络，每一个节点都包含了无线收发器和微控制器。对于一个典型的家居无线传感器节点来说，主要包括以下几个模块：供电模块、传感器模块、处理单元和无线收发模块。见附图4。传感器模块负责对采集点进行监控，并把采集信息返回给处理单元。处理单元在综合一段时间内的检测数据后根据处理节点来判断是否需要通过无线模块与其他节点进行通信。传感器模块、处理单元以及无线收发模块都有可能处于工作或休眠状态，因此供电模块应根据当前模块的工作状态调节自己的供电计划，以达到最好的节能效果。

监控节点的软件主要负责对可燃气体传感器采集的信号进行A/D转换，并判断采集结果是否有煤气泄露，如果有，则进行主动报警处理。

（三）远程用户监控

远程用户监控模块可以运行在一台PC机上，也可以运行在手机上，只要能接入Internet，便可以方便的登录网页对家庭设备进行监测和控制。一个家居远程监控软件的功能列表见附图5。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

1、基于Zigbee网络技术组建的智能家居系统组网更方便

2、基于Zigbee网络技术组建的智能家居系统同时采用跳频和扩频技术，搞干扰能力强，具有更高的可靠性

3、基于Zigbee网络技术组建的智能家居系统功耗低

4、基于Zigbee网络技术组建的智能家居系统采用128K的高级加密技术，具有更高的安全性

5、基于Zigbee网络技术组建的智能家居系统组网规模大，最大网络可承担6万台设备

附图说明

图1是本发明提供的智能家居网络拓扑结构

图2是本发明提供的智能家居系统程序整体框架

图3是本发明提供的智能家居控制中心程序流程图

图4是本发明提供的智能家居控制节点硬件框图

图5本发明提供的智能家居远程监控软件功能列表

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明提供的智能家居网络拓扑结构，如图1所示：

家居各监控节点与家居控制中心构成Zigbee网络，控制中心模块嵌入Internet接口，从而实现家居网络与Internet的互联。

图2是本发明提供的智能家居系统程序整体框架，如图2所示；

远程控制程序是通过现有的能够接入以太网的设备来收发信息，得到家居环境内的采集信息，并根据需要远程控制节点。

控制中心程序通过扩展了INTERNET接口的嵌入式系统来实现。嵌入式系统在实用性和稳定性上都处于一定的优势，并且成本低、软件代码小、响应速度快。

监测节点程序用来采集家庭内布置的节点信息并提供给网关程序处理，其实现没有控制中心那样复杂，可以通过单片机作为家庭网络控制的核心，并通过无线方式与家庭控制中心进行通讯。

图3是本发明提供的智能家居控制中心程序流程图，如图3所示；

系统初始化：控制设备上电后，控制模块选择网络中的空闲信道，以广播方式通知已上电运行的控制节点进行初始化。

等待加入节点：控制中心收到控制节点申请加入网络的请求后，给该节点分配一个16位的网络地址，并将该设备节点的相关信息记录在地址表中，进行网络设备关联。

监测信号：控制中心完成对上电设备节点初始状态的采集，完成网络的组建与配置过程。

查询信号、设置信号：远程监控模块向控制中心发出查询或设置命令，控制中心根据收到的数据包完成指定操作并返回执行结果。

图4是本发明提供的智能家居控制节点硬件框图，如图4所示；

本专利以煤气监控节点为例，传感器模块选用催化燃烧式可燃气体传感器。

处理单元是家居控制节点的核心部分，本专利选用MSP430微处理器，该处理器提供六种不同的工作模式。

无线收发模块使用ZigBee技术构建家庭无线传感器网络。因为ZigBee具有技术成熟、功耗低、成本低、低数据速率的特点，非常适合使用于距离近、复杂度低的家庭环境。目前支持ZigBee的无线收发器有多种，其中CC2420运用较为广泛。本方案采用以Atmega128为核心的开发带传感器的家电控制节点模块，以CC2420芯片作为信息收发核心。

图5本发明提供的智能家居远程监控软件功能列表，如图5所示；

远程登录：提供用户的登录界面，保证用户的安全使用

设备列表：登录进入主界面后可以看到家庭安装的每一个无线监控节点的设备

设备状态：点击监控节点可以显示该节点采集的数据信息

设备控制：对该设备节点进行远程控制，如关闭煤气阀、关闭窗户、打开热水器等操作

日志管理：显示用户对设备的操控信息

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种无线传感器网络智能家居系统，其特征在于：

以一种星型网络结构的ZIGBEE无线传感器网络作为家居控制子网，以扩展了INTERNET接口的嵌入式系统作为家居控制中心，以现有的能够接入以太网的设备实现对家居生活的远程智能监控，从而搭建一个完整的无线传感器网络智能家居控制系统。

2.一种无线传感器网络智能家居系统，其特征在于：

免布线、维护方便、运行费用低、可以进行远程实时监控家居环境。

3.一种无线传感器网络智能家居系统，其特征在于：

控制中心程序通过扩展了INTERNET接口的嵌入式系统来实现，嵌入式系统在实用性和稳定性上都处于一定的优势，并且成本低、软件代码小、响应速度快。