基于TinyOS的智能家居系統(tǒng)設計與實現

隨著現代高新科學技術的發(fā)展，人們更加注重對生活品質的追求，舒適度、智能化的家居日益成為人們關注的對象。家用電器的自動化已經遠遠不能滿足現代人的需求。智能家居系統(tǒng)是一項多功能綜合技術，它以家庭住宅為平臺，以先進的通信技術、網絡技術、控制技術為依托，將家庭中各種電器設備通過某種形式的網絡有機地結合在一起，進行網絡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越迫切，本文結合TinyOS自身特點，提出并實現了一個智能家居系統(tǒng)設計方案。

1 TinyOS操作系統(tǒng)與nesC語言

TinyOS是當前無線傳感器網絡開發(fā)的一種主流操作系統(tǒng)。TinyOS采用基于組件的體系結構，在此結構下，一個完整的應用程序包含多個組件，它的各種功能都是由組件實現

的，即TinyOS提供了一個適用于傳感器網絡開發(fā)應用的編程框架。

NesC是對C語言的一種擴展，其語言的基本數據類型、運算符和表達式、基本語句和程序結構都與C語言相同。它的最大特點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的執(zhí)行模型結合起來，并采用基于任務和事件的并發(fā)模型。

2 智能家居總體設計

根據智能家居的實際應用需求，智能家居系統(tǒng)設計主要包括網絡節(jié)點和監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分。

網絡節(jié)點功能包括：主節(jié)點可以讀取從串口讀取的命令，并通過無線通信向分節(jié)點發(fā)送命令;同時可返回從分節(jié)點采集的數據。此系統(tǒng)另外含有3個分節(jié)點，燈光明暗控制節(jié)點，門鎖開關控制節(jié)點，溫、濕度數據采集節(jié)點。燈光明暗控制節(jié)點可以通過無線接收從主節(jié)點發(fā)送的命令，分級調節(jié)燈光的亮度，逐漸增亮或逐漸變暗。門鎖控制節(jié)點可以通過無線接收從主節(jié)點發(fā)送的命令，打開或者關閉門鎖。

監(jiān)控系統(tǒng)功能包括：可通過點擊按鈕經串口通信向主節(jié)點發(fā)送命令，控制分節(jié)點動作(包括：燈光明暗以及門鎖開、關)，可以顯示從分節(jié)點傳送的溫度、濕度、光照度以及電池容量的數據，同時具有可以顯示數據的實時曲線功能，總體結構如圖1所示。

本系統(tǒng)分為三層，分別為監(jiān)控層、設備控制與數據層、設備層。監(jiān)控層：系統(tǒng)的主界面，用來顯示當前家居設備的狀態(tài)，溫度、濕度、光照度曲線圖。設備控制與數據層：用來控制家居設備，并檢測家居設備反饋的信號狀態(tài)。設備層：系統(tǒng)的各網絡節(jié)點，設備主節(jié)點與各模塊從節(jié)點之間通過無線來進行通信。

3 智能家居網絡節(jié)點設計

智能家居系統(tǒng)是一種小范圍、多節(jié)點、近距離無線傳輸的體系。而具低復雜度、低成本和低功耗特點的Zigbee與其他無線網絡協議相比較，更加適用于此系統(tǒng)，因此可通過在TinyOS中nesC語的編寫，實現ZigBee的MAC層協議，完成基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)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;以及每隔特定時間收到節(jié)點發(fā)送的信號后，夾在可控硅上電壓的波形?？煽毓栌晒?jié)點5號管腳控制。燈光的強度，實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。此硬件電路是通過可控硅調節(jié)相位的方式改變光的強度?？煽毓枵{節(jié)光強度主要原理在于，改變觸發(fā)脈沖的施加時間改變導通角大小，從而改變燈光明暗。依據此原理，設計燈關明暗程序代碼，程序流程圖如圖2所示。

3.2 門鎖開關設計

門鎖控制整合模塊：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，繼電器常開點閉合，反之常閉點閉合。繼電器由節(jié)點的5號和6號管腳控制。門鎖打開及閉合，主要依據繼電器通斷電的原理設計。

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

4 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設計

智能家居系統(tǒng)的各網路節(jié)點需要由一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)控制運行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)通過串口通信將命令發(fā)送至主節(jié)點，再由主節(jié)點將命令經無線通信傳遞至分節(jié)點控制設備進行相應動作;同時，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，方便用戶及時查詢。

通過點擊【更亮】或者【更暗】按鍵命主節(jié)點向燈光控制節(jié)點發(fā)送命令，調亮或者調暗燈的照明度。點擊【門鎖】按鍵，可經主節(jié)點向門鎖控制節(jié)點發(fā)送命令，打開或者關閉門鎖，并改變場景狀態(tài)顯示區(qū)域內的門鎖狀態(tài)圖片。調亮燈的流程圖如圖4所示。門鎖控制模塊的流程圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)功能實現

本系統(tǒng)的設計實現。是在搭載windows XP系統(tǒng)的PC機端進行測試。分別給無線網絡主節(jié)點、燈光控制節(jié)點，門鎖控制等節(jié)點上電。圖6為智能家居監(jiān)控系統(tǒng)運行的主界面。下面以溫度和濕度數據采集和顯示為例，說明系統(tǒng)功能。進入數據顯示界面，采集一分鐘內的溫度的變化，并將數據以曲線形式顯示，其結果如圖7所示，橫坐標代表時間，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，并將數據以曲線形式顯示，如圖8所示。橫坐標代表時間，縱坐標代表濕度，單位為%百分比。

6 結束語

本系統(tǒng)采用Visual C++設計了上位機監(jiān)控界面，實現了監(jiān)控界面與無線網絡主節(jié)點之間的串口通信，采用NesC語言在TinyOS操作系統(tǒng)環(huán)境下實現了網絡各節(jié)點之間的Zigbee無線通信。經由主節(jié)點，上位機能夠控制其它無線網絡節(jié)點的動作，諸如燈光逐步增亮或者逐步變暗，門鎖打開或者閉合等等。同時，上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以存儲和顯示由無線網絡節(jié)點采集的溫度、濕度、光照度等數據和變化趨勢。該設計初步滿足了家居系統(tǒng)控制的智能化，同時具有很強的擴展性。