基于TinyOS的智能家居系統設計與實(shí)現

隨著(zhù)現代高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們更加注重對生活品質(zhì)的追求，舒適度、智能化的家居日益成為人們關(guān)注的對象。家用電器的自動(dòng)化已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足現代人的需求。智能家居系統是一項多功能綜合技術(shù)，它以家庭住宅為平臺，以先進(jìn)的通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、控制技術(shù)為依托，將家庭中各種電器設備通過(guò)某種形式的網(wǎng)絡(luò )有機地結合在一起，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化的綜合管理與調控，為人們提供一種更加舒適、安全、環(huán)保、高效的生活環(huán)境。

人們對智能化家居的需求越來(lái)越迫切，本文結合TinyOS自身特點(diǎn)，提出并實(shí)現了一個(gè)智能家居系統設計方案。

1 TinyOS操作系統與nesC語(yǔ)言

TinyOS是當前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)的一種主流操作系統。TinyOS采用基于組件的體系結構，在此結構下，一個(gè)完整的應用程序包含多個(gè)組件，它的各種功能都是由組件實(shí)現

的，即TinyOS提供了一個(gè)適用于傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)應用的編程框架。

NesC是對C語(yǔ)言的一種擴展，其語(yǔ)言的基本數據類(lèi)型、運算符和表達式、基本語(yǔ)句和程序結構都與C語(yǔ)言相同。它的最大特點(diǎn)是支持組件化的編程模式，將組件化/模塊化的思想和事件驅動(dòng)的執行模型結合起來(lái)，并采用基于任務(wù)和事件的并發(fā)模型。

2 智能家居總體設計

根據智能家居的實(shí)際應用需求，智能家居系統設計主要包括網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和監控系統兩大部分。

網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)功能包括：主節點(diǎn)可以讀取從串口讀取的命令，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信向分節點(diǎn)發(fā)送命令;同時(shí)可返回從分節點(diǎn)采集的數據。此系統另外含有3個(gè)分節點(diǎn)，燈光明暗控制節點(diǎn)，門(mén)鎖開(kāi)關(guān)控制節點(diǎn)，溫、濕度數據采集節點(diǎn)。燈光明暗控制節點(diǎn)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收從主節點(diǎn)發(fā)送的命令，分級調節燈光的亮度，逐漸增亮或逐漸變暗。門(mén)鎖控制節點(diǎn)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收從主節點(diǎn)發(fā)送的命令，打開(kāi)或者關(guān)閉門(mén)鎖。

監控系統功能包括：可通過(guò)點(diǎn)擊按鈕經(jīng)串口通信向主節點(diǎn)發(fā)送命令，控制分節點(diǎn)動(dòng)作(包括：燈光明暗以及門(mén)鎖開(kāi)、關(guān))，可以顯示從分節點(diǎn)傳送的溫度、濕度、光照度以及電池容量的數據，同時(shí)具有可以顯示數據的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)功能，總體結構如圖1所示。

本系統分為三層，分別為監控層、設備控制與數據層、設備層。監控層：系統的主界面，用來(lái)顯示當前家居設備的狀態(tài)，溫度、濕度、光照度曲線(xiàn)圖。設備控制與數據層：用來(lái)控制家居設備，并檢測家居設備反饋的信號狀態(tài)。設備層：系統的各網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，設備主節點(diǎn)與各模塊從節點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行通信。

3 智能家居網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

智能家居系統是一種小范圍、多節點(diǎn)、近距離無(wú)線(xiàn)傳輸的體系。而具低復雜度、低成本和低功耗特點(diǎn)的Zigbee與其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議相比較，更加適用于此系統，因此可通過(guò)在TinyOS中nesC語(yǔ)的編寫(xiě)，實(shí)現ZigBee的MAC層協(xié)議，完成基于Zigbee的智能家居系統設計。

3.1 燈光控制設計

燈光明暗控制整合電路板工作原理：電路板可以檢測交流電波形的正負起始點(diǎn);以及每隔特定時(shí)間收到節點(diǎn)發(fā)送的信號后，夾在可控硅上電壓的波形?？煽毓栌晒濣c(diǎn)5號管腳控制。燈光的強度，實(shí)際取決于夾在燈泡兩端的電壓。電壓越高，燈泡越亮;反之，電壓越低，燈泡越暗。此硬件電路是通過(guò)可控硅調節相位的方式改變光的強度?？煽毓枵{節光強度主要原理在于，改變觸發(fā)脈沖的施加時(shí)間改變導通角大小，從而改變燈光明暗。依據此原理，設計燈關(guān)明暗程序代碼，程序流程圖如圖2所示。

3.2 門(mén)鎖開(kāi)關(guān)設計

門(mén)鎖控制整合模塊：電路板帶有兩組繼電器和交、直流電壓轉換器。交、直流電壓轉換器可以將110～220 V的交流電壓變?yōu)? V或者12 V直流電壓。12 V直流電供給直流電機工作。如果有5 V的控制信號夾在繼電器上，繼電器常開(kāi)點(diǎn)閉合，反之常閉點(diǎn)閉合。繼電器由節點(diǎn)的5號和6號管腳控制。門(mén)鎖打開(kāi)及閉合，主要依據繼電器通斷電的原理設計。

門(mén)鎖內部配有直流電動(dòng)機，當電動(dòng)機兩端加正向電壓時(shí)，電動(dòng)機正轉門(mén)鎖打開(kāi);反之，當直流電機兩端加反向電壓時(shí)，電動(dòng)機反轉門(mén)鎖閉合，程序流程圖如圖3所示。

4 智能家居監控系統設計

智能家居系統的各網(wǎng)路節點(diǎn)需要由一套完善的監控系統控制運行狀態(tài)。監控系統通過(guò)串口通信將命令發(fā)送至主節點(diǎn)，再由主節點(diǎn)將命令經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信傳遞至分節點(diǎn)控制設備進(jìn)行相應動(dòng)作;同時(shí)，可將傳感器采集的環(huán)境數據存儲至數據庫內，并可顯示記錄結果，方便用戶(hù)及時(shí)查詢(xún)。

通過(guò)點(diǎn)擊【更亮】或者【更暗】按鍵命主節點(diǎn)向燈光控制節點(diǎn)發(fā)送命令，調亮或者調暗燈的照明度。點(diǎn)擊【門(mén)鎖】按鍵，可經(jīng)主節點(diǎn)向門(mén)鎖控制節點(diǎn)發(fā)送命令，打開(kāi)或者關(guān)閉門(mén)鎖，并改變場(chǎng)景狀態(tài)顯示區域內的門(mén)鎖狀態(tài)圖片。調亮燈的流程圖如圖4所示。門(mén)鎖控制模塊的流程圖如圖5所示。

5 系統功能實(shí)現

本系統的設計實(shí)現。是在搭載windows XP系統的PC機端進(jìn)行測試。分別給無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主節點(diǎn)、燈光控制節點(diǎn)，門(mén)鎖控制等節點(diǎn)上電。圖6為智能家居監控系統運行的主界面。下面以溫度和濕度數據采集和顯示為例，說(shuō)明系統功能。進(jìn)入數據顯示界面，采集一分鐘內的溫度的變化，并將數據以曲線(xiàn)形式顯示，其結果如圖7所示，橫坐標代表時(shí)間，縱坐標代表溫度，單位攝氏度。

同樣，將采集一分鐘內的濕度變化，并將數據以曲線(xiàn)形式顯示，如圖8所示。橫坐標代表時(shí)間，縱坐標代表濕度，單位為%百分比。

6 結束語(yǔ)

本系統采用Visual C++設計了上位機監控界面，實(shí)現了監控界面與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主節點(diǎn)之間的串口通信，采用NesC語(yǔ)言在TinyOS操作系統環(huán)境下實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)之間的Zigbee無(wú)線(xiàn)通信。經(jīng)由主節點(diǎn)，上位機能夠控制其它無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的動(dòng)作，諸如燈光逐步增亮或者逐步變暗，門(mén)鎖打開(kāi)或者閉合等等。同時(shí)，上位機監控系統可以存儲和顯示由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采集的溫度、濕度、光照度等數據和變化趨勢。該設計初步滿(mǎn)足了家居系統控制的智能化，同時(shí)具有很強的擴展性。