AnIntelligentSelfAdjustingSensorforSmart基于ZigBee通信的智能自调式传感器智能家居服务.docx

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AnIntelligentSelfAdjustingSensorforSmart基于ZigBee通信的智能自调式传感器智能家居服务

基于ZigBee通信的智能自调式传感器，智能家居服务

摘要-无线传感器网络（WSNs）已经在最近几年变得越来越重要，因为他们有能力为各种实时态势信息提供各种新颖的服务。

 目前，无线传感器网络的应用范围已扩大到家庭生活中来，它可以向居民提供各种智能化服务，例如家庭自动化服务或家庭能源管理服务。

 然而，由于建筑对他们的制约，例如性能与成本之间的折衷，无线传感器网络不能有效地在家庭网络中进行应用。

 因此，本文提出了一种基于ZigBee智能自调节的传感器（ZiSAS），以解决这些主要问题问题。

本文提出一种根据情况自动调整方案类型,一个基于事件的自动调节的传感器网络，及硬件和中间件的实现。

我们还介绍了一些使用智能家居服务系统的建议。

 我们将我们的系统在实际应用中进行了实验并且取得了成功。

 我们的实验表明，我们降低系统的能源消耗。

关键词-无线传感器网络，智能家居服务，家庭能源管理系统，拓扑控制，自我调节

一，简介

目前，微机电系统和无线通信技术的飞速进展给无线传感器网络（WSNs）带来了一次伟大的革命[1]。

 无线传感器网络由无数在空间分布的无线网络与有限的具有数据采集和处理能力的传感器来对环境进行检测。

 无线传感器网络已经越来越重要，因为我们可以用他们的智能化服务来监控和管理各种的实时信息[2]。

 因此，无线传感器网络已应用在很多领域，如军事，环境监测，医疗监测[3]-[5]。

1.如今，无线传感器网络逐渐被用来在家庭日常能源管理中进行服务。

例如，通过一些像居民的运动或由WSNs收集到的照明度等这样的信息自动控制照明，和安装在家里的WSNs监视和控制客户设备（装置）。

但是，在无线传感器网络系统和应用程序中仍然有一些难以克服的困难设计。

 首先，供传感器操作系统使用的能源对操作系统是有限制的，如电池。

 因此，网络的寿命有很大的程度上取决于的

电池的寿命。

 其次，传感器的硬件能力是有限的（例如有限的通信，存储和处理能力）。

 因此，每个传感器是不能够为整个软件/中间件组件提供复杂的服务。

 第三，无线链路带宽在无线传感器网络中是很重要的，需要仔细进行管理。

在这项研究中，考虑到要解决这些限制，我们设计并实现了一个基于ZigBee的家庭能源智能自我调节传感器（ZiSAS）传感器。

 我们使用的ZigBee（IEEE802.15.4标准）网络和通信技术，因为它具有低功耗和低成本的特点[8]，使zigbee被广泛使用在家庭和建筑环境中[9]，[10]。

 我们的系统具有鲜明的特点，具体如下：

1）灵活的中间件架构：

现有的无线传感器网络一般有固定的系统架构，因为WSN需要在统一的环境中执行给定的任务。

 例如，所有覆盖区域中的传感器简单地收集数据，然后将数据发送到接收器节点中为日后定期测量提供依据。

 然而，这不适合于动态环境中，如日常的家庭生活中（即所需服务的周围环境经常发生改变）。

因此，我们设计了灵活的三层中间件体系结构。

2）根据情况自行调节：

相比于预定义规则，按照现有控制系统中的系统参数，ZiSAS可以根据环境状况自主地重新配置中间件，网络拓扑，节点密度和传感率。

 也就是说，ZiSAS可以收集并分析情境信息，然后

进行自主修改，以纾缓WSN的硬件/软件的限制。

3）基于事件的传感器控制：

检测率和节点密度是无线传感器网络中的重要问题。

 现有的WSN不考虑形势的变化。

 然而，根据不同的服务的情况，收集所有传感器的数据是不必要的操作。

 此外，从没有活动的区域收集数据是对网络资源的浪费。

4）情境感知服务：

这种建议系统可以根据位置与驻地提的不同供适应日常家庭生活的服务。

 ZiSAS不断收集环境提供的信息然后分析当前的情况，为居民提供情境感知服务。

本文其余部分安排如下：

第二节，相关工作，进行调查，并研究缓解WSN的限制，特别是降低电池的耗电量；在第三节中，我们目前整体ZiSAS系统的架构；在第四节中，介绍我们整体系统的细节;在第五节中，我们展示了一些使用我们的系统的系统例子；在第六节中，我们提出

实验环境和结果。

 在第七节中，我们对本文进行了总结并且讨论了我们的结论和未来工作。

II。

 相关工作

在本节中，我们简要讨论了现有的与无线智能家居系统和应用程序通信技术有关的系统。

 Han等人[11]提出了一个可以减少待机功率供家庭使用的ZigBee能源管理系统（HEMS）技术。

 该系统由自动待机电源切断插座，ZigBee的轮毂和管理服务器组成。

当与电源输出口连接的设备（装置）的能源消耗低于阀值时，装有Zigbee模块的电源输出口就会切断交流电源。

ZigBee的枢纽从电源插座收集信息然后通过插座的ZigBee模块控制这些能量。

 ZigBee的集线器传输当前服务器的工作状态，然后用户可以利用HEMS用户界面监视/控制当前的能源使用。

Gaddam等人[12]在认知传感器网络的基础上为老人设计了一种智能家居监控系统。

 它使用

有认知的传感器网络来选择性的监控家中的活动，而不是一个单纯的网络摄像监控系统。

 传感器通过RF收发器监控并收集家用电器，水的使用，长辈的运动的信息并发送到中央服务器。

 当出现异常情况，如电源/水过度使用时，系统则通过SMS（短消息服务）的方式对人进行提醒。

Gill等人[13]提出的基于ZigBee的家庭自动化系统，可以监控和控制家用电器。

 该系统将移动设备和家庭网关组成一个家庭网络。

 作为该系统的一个重要组成部分，所述家庭网关必须支持外部网络和家庭网络之间的互操作性。

Pan等[14]提出了一种在室内环境中基于无线传感器网络的智能光控系统，例如为一个家庭减少能源消耗。

 在本文中，无线传感器来负责测量照明设备的用电量并通过用户对相关参数的设定以及相关文件的配置对灯进行控制。

 宋等人[15]提出了一个家用混合传感器网络监控系统.论文的基本概念是一个游牧的传感器，当网络断开时，这个游牧的传感器可以移动适当的位置并参与这个网络。

Suh等人[16]提出了一种基于传感器/执行器网络的链路质量指标由路由协议来提高网络的可靠性的无线智能家居控制系统。

相较于现有的相关研究，在本文中，我们为了使环境监测传感器被有效地部署并应用于日常的智能家居服务中，我们将注意力主要放在了情境与事件之中。

III.基于ZIGBEE的自我调节传感器建筑

2.在本节中，我们提出了用基于智能自调整的ZigBee传感器（ZiSAS）架构智能家居服务。

  图1概述的ZiSAS，图 2显示了它的原型。

 ZiSAS分为两个组成部分：

自我调节传感器（SAS）和传感器管理代理（SMA）。

 SAS通过收集环境背景来控制家庭环境并提供智能服务。

 它根据检测率，传感器路由协议的密度，收集传输数据的频率情况自主修改拓扑结构。

 SMA起到了管理传感器，上下文分析，分析，模式的学习和生成，重新创建服务器的作用。

它具有通过与传感器节点交互而控制一个装置的能力。

ZiSAS被设计成三层：

网络层，管理层，界面层。

*管理层：

这一层扮演管理的角色，如预测环境的状态，作出决定，传感器节点的协调。

 它负责根据周围的环境和所需的服务类型自我建立流程。

 无线网络相比有线网络具有数据包丢失率高和延迟时间长的缺点

;这是在这一层需要解决的重大难题。

网络层：

这一层提供网络和通信服务，如MAC，路由，同步传输。

*接口层：

该层提供，与网络设备或与用户连接的接口。

首先，我们将讨论能满足智能家居服务设计要求的传感器。

A.满足智能家居服务的传感器设计要求

1）节能运行是最关键的问题

无线传感器网络是为了延长网络的生命周期，因为传感器使用电池模块而使操作受到限制。

 提供一个高效节能的操作技术以长的网络寿命是必不可少的。

 此外，传感器模块可以不执行智能处理，因为在处理复杂的任务时它耗电量过多，这样在为家庭提供服务时会导致能源的不充足。

2）易于部署的传感器：

当用户对每一个网络拓扑结构或传感器节点进行用户设置，参数设置，该操作是极不方便的。

 因此，如果现有的节点被移除（例如耗尽的电池或击穿），或添加一个新的节点，该系统应

能适应。

 也就是说，无线传感器网络应该有自动重新配置网络的拓扑结构和系统参数的功能。

3）自我配置：

WSN具有自主发现和更新配置的功能。

 也就是说，WSN可以自动设定运行参数。

例如，无线传感器网络应该能够在没有服务器集中管理的时候使用在网络中的现有节点自动检测节点故障并集成了一个新的节点。

 此外，无线传感器网络中的节点应该能够在仅使用现有网络中的节点的前提下确定它的位置（即地理位置）。

4）服务质量：

服务质量（QoS）的意思是系统会对不同的应用程序或

确保一定程度的性能而给出不同的优先级。

 QoS要求，如果程序的延迟时间较长或需要的带宽较窄时，对最小的延迟和带宽的要求就是不很严格的。

 然而，在WSN是实时控制时延迟是提供高品质的服务的一个至关重要的因素。

此外，在家庭环境中，由于应用程序更经常的改变，传感器的执行情况是服务质量管理的一个重要的要求。

5）具体操作：

他可以建立许多无线传感器网络的应用。

 然而，每个应用程序都有不同的要求，如不同的传感器密度，有界延迟，覆盖范围。

至少自适应协议需要根据这些进行定义。

 这使得它很难在动态（经常变化的）的环境中部署无线传感器网络，诸如建筑物。

B.基于形势的自我调整方案

ZiSAS可以根据环境状况自主重新配置中间件，网络的拓扑结构，传感器密度和感应率。

 IEEE802.15.4标准（ZigBee）根据对应用的需求从根本上支持两种类型的拓扑结构-星型拓扑结构和对等网​​络（P2P）拓扑结构。

 在星型拓扑结构之间建立的从属节点到一个独立节点通信称为PAN协调器，他负责整个网络的协调。

 P2P拓扑结构也有PAN协调器。

 然而，他的传感器节点之间能够直接相互进行通信。

 这两种类型的拓扑结构可以根据实际的情况来选择服务类型。

 例如，一个服务要求低延迟将

建议采用星型拓扑结构而服务要求大面积的覆盖面将建议采用P2P拓扑结构[17]。

 此外，建筑物的空间结构也是确定拓扑结构的一个重要因素（见图。

 3）。

 例如，星形拓扑结构是适合于矩形的空间，例如一个

房间，而P2P拓扑结构是适用于很长的空间，如走廊。

 在中大的矩形的空间的情况下，如一个大厅，一组合了星型拓扑结构和P2P拓扑结构将是足够的。

 有三种方法对情况进行识别，具体如下：

1）所需的服务：

所需的服务的模式与用户周围的环境是密切相关的。

 如果一个的事件多次出现在相同的情况下，这就是特定的公式化模式。

 ZiSAS根据在给定情况下相应的行动模式预测所需的服务和应该提供的相应行动。

 ZiSAS为了将用户和周围的方式应用于学习机制，例如考虑到用户和周围的活动作一个隐藏马尔可夫模型（HMM）。

 如果一个事件发生（即ZiSAS收集事件数据和传输事件数据到SMA上的一个模式发生器），这个模式发生器根据位置，用户和环境状态生成相应模式，规则和服务。

2）用户：

用户识别是将使用的用户信息表在分布在SMA，包括居民，居民的个人资料，移动设备识别码（RES_ID）驻地的信息，和服务请求

历史。

 如果居民的运动通过ZiSAS（运动传感器）检测到，ZiSAS通知该事件SMA。

 SMA然后发送请求数据包的MAC地址到居民的移动设备。

 最后，该移动设备发送MAC地址给SMA，SMA分析了居民信息表，确认居民身份。

3）建筑的室内空间结构：

SMA有一个对应的室内空间结构表，其中包括空间的大小，空间结构特征（例如，一个正方形，圆形，矩形等），以及可利用空间。

 SMA定期将室内空间结构信息发布出去，使ZiSAS识别室内的空间结构。

 建筑的室内空间结构通过各种方法获得通过节点的位置，如三角测量确定的方法。

 但是，这种方法会对无线家庭自动化网络（WHAN）的实施增加额外的成本。

C.基于事件的自我调节传感器网络（ESASN）

我们提出了一种基于事件的自动调节的传感器网络（ESASN），以提高电池的使用寿命和服务响的应时间。

 关键的想法是收集更多的事件频繁发生传感器信息的。

1）ESASN的结构：

ESASN由ZiSAS（即上海社会科学院及SMA）和管理服务器组成。

*ZiSAS：

SAS收集环境信息并且将该信息发送到管理服务器。

 每个SAS根据所收集的数据确定是否有事件发生时。

 也就是说，如果SAS所收集的数据超出预定义的决定阈值时，则有事件发生。

 如果事件被检测到，则SAS向SMA传送这一信息，而SMA的主要作用是控制相邻的SAS。

当检测到事件时，该SAS将该信息发送到SMA。

，SMA然后确定基于SAS这类事件检测的数目。

 也就是说，如果SAS频繁检测到事件，则SMA将该SAS作为高类节点，即A级节点（A级是最高的一类和C类是最低级）。

 A类节点比B级和C节点具有更高的检测率。

 也就是说，我们收集和传送更多来自传感器的事件频繁发生的信息。

就像A，B，和C的单位时间检测率是三个，两个，和一个的分别。

*管理服务器主要用于处理能源管理问题，并执行复杂的任务。

 它在监测和控制/HEMS的基础上并对通过ZiSAS对环境信息进行收集。

2）建立ESASN的程序：

该程序是由四个步骤组成：

检测，分类，传感传输和路由（如示于图4和5）。

*第1步（检测）：

每个SAS根据所收集的数据确定是否事件发生。

 也就是说，如果收集的数据超过了预定义的阈值，则SAS就会判定有事件发生。

 当检测到事件时，SAS向SMA发送该信息。

*第2步（分类）：

SMA根据事件发生的频率确定SAS类别。

 确定后，SMA将此信息发送给每个SAS。

*第3步（传感）：

当接收到相关的类时，SAS根据接收到的信息设置传感率。

 检测率根据SAS的类别自行修改。

 SAS收集在所确定的检测率和环境信息并向SMA发送数据。

*第4步（传输和路由）：

SMA将从SAS接收到的所有数据发送到管理服务器。

3）基于SMA与SAS的节能多跳路由：

我们考虑到家庭网络的环境设计

了节能高效的多跳路由协议。

 我们使用SMA作为路由的主要能源。

 由于无线传输比其他进程消耗的能源多，所以我们使SMA直接使用电源来延长网络的时间。

*路由的发现和数据转发：

当一个源都需要路由到达目的地，它会向它的邻居节点广播一个路径请求报文（PATH_REQ）。

 如果一个节点接收

PATH_REQ但不知道目的地，它会附加它自己的地址的数据包，并发送

PATH_REQ到其邻居节点。

 以这种方式，从源到目的的路径可以跟踪。

 当一个节点接收的PATH_REQ包括作为其邻居的SMA但不知道到目的地的路线，他增加了自己的地址的数据包，并发送（单播​​）PATH_REQ向SMA。

 由于长距离传输消耗了大量的能源，因此，我们主要使用SMA

来完成长距离的传输。

 也就是说，我们设置电池供电的SAS用来短距离的传输和SMA相对较长距离的传输。

 我们根据家庭的结构把家庭分成几个子区域，每一子区域具有一个或两个的形状记忆合金。

 由于每个SMA有一个路由表，一旦SMA接收数据包，它通过路由表由路由器之间的多跳路径将此数据包发送到管理服务器。

D.灵活的三层中间件架构

 图6示出了ZiSAS的三层的中间件架构。

 分层体系结构的优点是提供模块化设计，使其更容易改变以实施服务。

1）管理层：

这一层包括一个背景管理组和一个传感器管理组。

*背景管理组是由背景聚合器（CAG），背景分析仪（CA），和一个背景管理器（CM）。

 CAG采集传感器数据和对情境事件进行分类。

 CA的作用是有的服务状态受影响或冲突是进行调整。

 它发送有问题的时间到CM。

 CM然后推断并预测在给定的情况下所需要的服务。

*传感器管理组是由规则基础的引擎，一个服务管理器（SM），暂停启动控制程序（SAS）和一个配置管理（CFM）。

 这个管理组骑着传感器管理的作用。

 SAS的进度和参数配置的管理是由这个以这个引擎规则为基础的。

 特别是对于联网，模块管理的不同背景包括智能的移动设备的状态，并且该网络处在一个可伸缩的模式。

 当各种环境要素变化的时候，该模块发送控制信号，重新配置系统。

2）网络层：

这一层起着沟通管理，路由，拓扑控制，流量控制等的重要作用。

*网络通信组由拓扑控制管理器（TCM），路由管理器（TM）和交通控制管理器（TRCM）组成。

 这个小组是网络层的组成部分的一个核心，它提供和控制网络通信服务，如MAC，路由，拓扑结构，传输和同步等。

3）接口层：

该层提供的接口，与网络设备或用户相连。

 该层包括接口，用户交互管理器和一个下一跳节点表。

*接口组在为外部元件提供借口点起到了重要作用，（网络设备或与互动用户）。

 他由一个网络接口管理器（NIM），红外接口的经理（IRIM）和一个传感器界面管理器（SIM）组成。

 我们使用IEEE802.15.4标准

（ZigBee的）与其他ZiSAS或ZigBee通信，启动装置使用一个红外（IR）信号的移动设备控制。

 此外，通过各种传感器模块所检测到的事件和环境数据通过SIM收集。

IV。

 实施和实验平台

A.系统的实现

我们实施了模拟智能家居服务系统。

  图7示出的硬件框图和原型。

 在本节中，我们提出了实施更详细的系统和测试床。

由于许多ZiSASs需要覆盖整个房子，他需要降低成本。

 此外，ZiSAS为了节能应该降低用电量。

 ZiSAS由一个基于16位微控制器，并包含一个ZigBee（IEEE802.15.4标准）收发器，各种环境监测传感器模块，LED驱动器，一个系统接口，以及一个功率调节器组成。

 ZiSAS硬件体系结构示于图 7。

 这个16位微控制器由精简指令集（RISC），内置闪存和RAM组成。

 它支持重量轻的操作系统和动态电压缩放（DVS）的能源管理。

 建议的计划和协议进行编程处理的任务，如事件分析，或服务的预测和的决定。

 我们使用250kbps和2.4GHz的ZigBee收发器由每个ZiSAS或基于ZigBee的设备进行通信。

由于ZigBee技术低成本，低功耗，所以被广泛用于执行家庭自动化系统。

 因为这个原因，我们在系统中使用ZigBee收发器。

 该ZiSAS具有不同的环境监测传感器模块。

 两种类型的传感器模块基础的温度和相对湿度传感器，还有光强度传感器，运动检测传感器，瓦斯/CO传感器模块是可以选择安装的。

 在更多的情况下复杂的服务，其他的传感器模块可以通过一个用户接口安装。

B.实验平台

 图8示出实验的实验平台。

 实验平台的大小为198万平方米，由7个房间（一间客厅，一间会议室，4个办公室，一间服务器机房，和一个卧室）。

 在实验室有八个空调，电视和一台服务器。

 我们在测试台部署了10-50ZiSAS，。

 表一列出了根据情况的参数传感器管理，。

C.智能家居服务说明

在本小节中，我们将介绍一些智能家居服务使用建议的制度和其他电子设备。

1）根据短期负荷预测可再生能源的分配和管理：

管理服务器通过ZiSAS收集过去的功耗数据的信息预测能源要求。

 管理服务器应用ARIMA模型对能源需求进行预测。

 ARIMA[18]需求预测模型是将过去平均值采用平滑化的指数来表示。

 管理服务器在减少源消耗满足使用的电力能源需求预测的基础上来使用可再生能能源。

 图。

9所示可再生能源分布系统的体系结构的实验平台。

2）家庭能源管理服务（管理家电和LED灯）：

ZiSAS周期性收集温度/湿度和移动信息。

电源管理系统（PMS）通过机器与使用ZigBee的ZiSAS的互相通信来控制家用电器。

 例如，PMS在家用电器不在工作时会关闭电源，以降低待时的能量消耗。

 因为ZiSAS可以根据居民的喜好家庭环境条件可自动调整室内的温度/湿度。

 用相同的方式，ZiSASs定期收集用户移动照明的强度和信息。

 LED灯控制器[6]通过带有ZiSASs照明ZigBee系统来通信交互控制使用。

 图10显示家电控制的架构，PMS，

LED灯控制器。

 图。

 11显示快照的智能垫应用程序。

3）入侵检测服务：

当ZiSAS检测到异常入口或身份不明的居民时，SMA会把目前的侵入情况通知给管理服务器。

 管理服务器通过发送提醒SMS消息把这个用户报告给当地警方。

 居民也可以通过用户智能手机

与一个web凸轮相互作用监视入侵者。

4）火灾和气体泄漏检测服务：

ZiSAS位于相邻的气体阀或锅炉收集气/CO信息比在其他位置灵敏。

当ZiSAS检测到CO气体泄漏，ZiSAS直接通知管理服务器。

 管理服务器强制关闭燃气阀，并警告居民。

 管理服务器和一个气体阀控制装置通过电线连接通信立即进行互操作。

五，实验与结果

在实验中，我们通过ZiSAS降低电量的消耗。

 图。

 12所示

的结果。

 结果表明，相比定期检测和传输，基础控制与SMA大约是3-12％和8-34％，能源消耗的减少取决于ZiSAS。

 ZiSAS根据新的路由协议由于SAS和SMA之间的合作也逐渐减小的总能量的斜率，而且不会导致数据包丢失。

VI。

 结论与未来工作

已经有很多关于无线传感器网络的研究，特别是方法，以减轻无线传感器网络的限制。

 近日，WSN技术已应用到家庭自动化智能家居系统，以便为居民提供服务。

 然而，由于固定的系统架构，现有的传感器系统并不适合在动态环境为智能家居提供服务。

 因此，为了使电子设备更节能和灵敏，本文提出了ZiSAS，基础自我调节计划，和一个基于事件的自调节的传感器网络。

 我们设计和实施相关硬件和中间件。

 我们期望我们的研究将为智能家居服务的发展作出贡献。

 我们在实验室对我们的系统进行了测验。

 结果表明，相对于定期检测和传输，基础控制与SMA大约分别是是3-12％和8-34％，减少的能源消耗，这取决于ZiSAS的数目。

 作为我们今后的工作的一部分，我们会改进研究技术，并试图将它们应用到智能家居系统。

 此外，我们正在开发一种自我调节传感器，用于各种环境。