传感器原理及应用PPT课件(共8单元)第8章--综合实训.pptx

第8章综合实训智能家居系统的设计 随着信息技术和网络技术的高速发展，以及居住理念的变化，人们越来越追求生活细节的简单化和智能化，于是智能家居系统应运而生智能家居系统通过物联网技术将家中的各种设备（如照明系统、安防系统、智能窗帘、网络家电等）通过有线或无线网络连接在一起，提供如照明控制、防盗报警、环境监测、红外转发及可编程定时控制等多种功能本章将介绍智能家居系统的设计，在设计系统之前须先了解物联网和无线传感器网络本章导读学 习目 标了解物联网和无线传感器网络能够根据系统需求完成小型智能家居系统的设计CONTENT8.1物联网8.2无线传感器网络8.3智能家居系统设计方案物 联 网018.1.1 物联网的发展1国外物联网的发展1991年美国凯文阿什顿（Kevin Ashton）教授首次提出物联网的概念1995年，比尔盖茨（Bill Gates）开启了物联网技术的应用2004年，日本提出了u-Japan计划，实现从有线到无线2005年11月17日，国际电信联盟正式提出了物联网的概念韩国在2006年推出的U-Home（智能家庭）2009年，时任美国总统奥巴马公开支持了IBM公司提出的“智慧地球”的概念。

2009年6月发布的欧盟物联网行动计划通告2国内物联网的发展早在1999年，中国科学院就启动了传感网技术的研究2009年，温家宝总理提出了“感知中国”的战略2011年，在物联网白皮书中，给出了物联网的定义2016年3月5日，加快物联网的研发应用目前，物联网良好的生态环境已基本形成8.1.2 物联网的结构组成图8-2 物联网的结构8.1.3 物联网的技术架构图8-3 物联网的技术架构 与物联网的3层结构理论相对应，物联网的技术架构也可分为信息物品技术、通信与网络技术和智能应用技术3类1信息物品技术 信息物品技术，即物品信息化技术，其主要功能是物品的标识和感知一般把射频识别（RFID）技术、近距离无线通信（NFC）技术和传感器技术作为物品识别的关键技术RFID技术已在智能家居、智能物流、交通运输、身份识别、资产管理、食品追踪和图书管理等系统中有着广泛应用2通信与网络技术3智能应用技术 物联网的通信与网络主要包括无线传感器网络、移动通信网络和互联网，其关键技术主要包括移动通信技术（如5G技术及未来通信网）、现场总线技术、Wi-Fi技术、蓝牙技术、无线传感器网络技术和互联网技术等智能应用技术主要包括信息融合技术和智能决策技术。

目前主要研究内容为物联网与行业的融合，如智慧城市中城市规划与物联网融合技术等02无线传感器网络8.2.1 无线传感器网络的构成 无线传感器网络是由数目众多且具有特殊功能的传感器节点通过无线自组织通信方式，互相传输信息，协同地完成特定功能的智能无线专用网络一个完整的无线传感器网络主要是由分布式传感器节点（群）、sink节点（汇聚节点，主要负责传感器网络与外网的连接，可看作网关节点）、公用网络（Internet或移动通信网）和用户界面（控制中心）共同构成的图8-5 传感器网络结构 传感器节点通过各种方式大量部署在感知对象内部或附近这些节点以协作的方式感知和处理网络覆盖区域内特定的信息，实现在任意地点、任意时间采集、处理和分析信息传感器节点主要包括数据采集模块（由传感器模块和A/D转换电路组成）、数据处理与控制模块（包括微处理器和存储器）、通信模块（无线收发器或接口模块）和电源模块，如图8-6所示图8-6 无线传感器网络节点的结构8.2.2 无线传感器网络的拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构常见的有：点对点网络用于两个终端之间的连接一个sink节点和若干个传感器节点所有节点连接在同一根总线上结构主要有两种：一种是全部连接网状型结构（所有节点均与其他节点相连），另一种是部分连接网状型结构。

包括很多层次的节点，最高层为单个根节点点对点拓扑星型拓扑总线型拓扑网状型拓扑树状型拓扑图8-7 传感器网络拓扑结构示例1智能交通 无线传感器网络通过部署在车辆和道路中的传感器节点采集车辆和路面信息，并将这些信息通过互联网、移动通信网或专用网络传送到控制中心可以将交通拥堵状况或交通事故情况等信息发送给汽车，以帮助司机选择最佳路线2智能农业 通过大量部署在农田中的温度传感器、土壤湿度传感器、酸碱度传感器、视觉传感器等，采集农作物和土壤环境信息，以监控农作物状态，达到优质高产的目的对于畜牧业，可以在家畜身上佩戴传感器，通过传感器监控家畜的健康状况8.2.3 无线传感器网络的应用3医疗健康 无线传感器网络有助于医生远程监控病人的身体状况例如，在病人身上装配检测血压、心率、体温的传感器，医生便可以通过无线网络接收传感器采集的数据1安全8.2.4 无线传感器网络面临的挑战2功耗 传感器网络特别是无线传感器网络中，各项技术和协议一般都以节能为前提目前的节能策略主要有休眠机制、数据融合机制、冲突避免和纠错机制、多跳短距离通信机制此外，传感器网络面临的挑战还包括自主节点和网络的管理和配置算法、传感器节点的耐久性、传感器的生物相容性、数据的隐私及所有权等。

传感器网络中的安全目标是保护单个传感器节点和防止出现在网络内外部的恶意攻击安全的关键在于帮助维护网络的完整性，保证数据的保密性、完整性和时效性传感器网络的安全预防最基础的手段就是加密机制 目前的密钥管理方案主要有对称密钥管理机制、非对称密钥管理机制和混合管理机制3种03智能家居系统设计方案8.3.1 照明控制系统设计图8-8 照明控制系统总体结构 智能控制中心主要负责数据中转和沟通，它以微处理器为平台，以无线通信方式进行数据传输，对灯光设备及传感器采集的数据进行分析和判断规则智能控制节点的主要功能有两个，一个是采集灯光模块信息、光线信息和人体监测信息，并将这些信息传送至智能控制中心；另一个是接收控制中心的规则修改数据和指令灯光模块是照明控制系统的终端节点，它接收来自智能控制节点的控制信号，完成终端控制功能，并将控制结果反馈至智能控制节点图8-9 照明控制电路硬件系统1照明控制系统的硬件设计 在智能照明控制系统中，常选用STM32、ATmega32或ARM系列微处理器作为智能控制中心的微处理器，选用8位单片机（如AT89C51）作为智能控制节点传感器模块是照明控制系统的感知中枢，也是智能控制模块做出控制决策的主要依据。

在照明控制系统中，主要通过光线检测和人体检测来采集环境信息图8-10 光敏传感器 光线检测主要选用光敏传感器（见图8-10）作为光线检测器件在智能家居系统中，常常需要将多个传感器组成无线传感器网络，完成多点检测和控制灯光模块主要由主照明灯控制电路和背景灯控制电路两部分组成为了起到节能的效果，一方面使用节能LED灯作为照明设备，一方面根据采集到的环境信号自动调节亮度背景灯的作用是对家居内部的氛围进行调节与渲染按照控制形式的不同，可分为主动控制和被动控制两种图8-11 分布式控制网络结构常用的无线通信技术包括红外数据传输技术、蓝牙技术、ZigBee技术和Wi-Fi技术等红外数据传输技术蓝牙技术是一种点对点数据传输技术，采用开放的传输标准特点：距离短、传输速率高、数据直线传输、保密性强、成本低廉是一种支持设备短距离通信（一般在10 m内）的无线通信技术，它遵循IEEE 802.15.1标准，工作在2.4 G频段ZigBee技术特点是近距离传输、数据速率低、复杂度低，能够自组网并且具有很低的功耗Wi-Fi技术优点是无须布线、传输速度快和覆盖范围广，且具有极强的穿透性图8-12 主程序流程2照明控制系统的软件设计 在照明控制系统的软件设计中，可将程序分为主程序、传感器数据采集程序、控制程序和接口程序（接口协议及设置）等几大模块。

主程序：功能主要是通信和控制通信读取传感器信号、多媒体开关信号、主照明灯和背景灯状态信息；控制指的是控制灯光，包括主照明灯的控制及背景灯的控制控制流程当人体红外传感器检测到有人时，监测多媒体设备开关状态，调节背景灯亮度1）（2）（3）（4）对人体红外传感器的数值进行采集，当检测到有人进入检测范围，则打开主照明灯继续读取人体红外传感器的数值，判断是否则关闭主照明灯在打开状态时，对于光敏传感器的值进行判断，进而控制主照明灯的亮度8.3.2 室内环境监控系统设计 室内环境监控系统主要是温湿度监控系统和PM2.5监控系统，它也包括智能控制模块、传感器模块、执行器模块和无线通信模块智能控制模块中的智能控制中心可与其他智能家居系统（如照明系统、安防系统）共用；传感器模块设计主要包括温湿度传感器设计和PM2.5传感器设计图8-13 室内环境监控系统结构 室内环境监测系统工作时，控制节点向执行结构发送控制指令，以控制如温度调节系统、湿度调节系统和新风系统等调控设备图8-15 室内环境监控系统流程8.3.3 安全防控系统设计1厨房安防系统 厨房安防系统主要是针对厨房进行的检测，它通过实时监测当前厨房环境中的燃气浓度、烟雾浓度和水浸情况等，实现厨房的自动监控功能。

燃气报警可用CO传感器检测；厨房内烟雾浓度情况可用烟雾传感器检测；水浸监测可用水位开关监测图8-16 厨房安防系统2智能门禁系统 智能门禁系统可以实现人脸识别、RFID卡管理、密码录入、指纹识别等功能人脸识别系统常应用于小区、企业和家庭门禁系统中智能门禁系统中的处理器向电磁继电器发送控制信号，电磁锁断电，完成开锁过程智能门禁系统常采用44键盘电路作为密码输入电路，解锁时比较输入密码值与智能门禁控制模块中的存储密码是否一致来判断是否解锁智能门禁系统中指纹识别的器件为指纹传感器，它是获取指纹图像的专用器件图8-17 智能门禁系统结构8.3.4 远程监控系统设计 智能家居远程监控系统主要是由终端节点、网络接入设备、远程控制端及各种类型的网络组成的终端节点内部包含各种不同类型的传感器和执行器，如温湿度传感器、热体红外传感器、监控摄像头、照明设备、电磁锁、家电开关等远程监控系统的网络接入设备包括路由器、网关、交换机、GPRS通信模块等，其主要功能是完成路由选择和协议转换，以实现短距离家居网络与互联网、移动通信网络的互联感谢您的观看。