李玲香 羅 鵬

(湖南科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程系，湖南 永州 425199)

智能小車對(duì)提高智能居家系統(tǒng)穩(wěn)定性的應(yīng)用研究

李玲香 羅 鵬

(湖南科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程系，湖南 永州 425199)

針對(duì)ZigBee智能居家系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍受環(huán)境因素影響較大，網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，從而導(dǎo)致智能居家系統(tǒng)整體性能下降的問(wèn)題。論文設(shè)計(jì)了一個(gè)移動(dòng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)——智能小車，它可以識(shí)別用戶家居環(huán)境中不同的房間及巡視居家環(huán)境，從而采集居家環(huán)境的不同地點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。實(shí)驗(yàn)證明，在智能家居系統(tǒng)中加入智能小車可以降低系統(tǒng)出故障的概率，提高了系統(tǒng)的覆蓋范圍和穩(wěn)定性。

智能家居；ZigBee；智能小車

0 引 言

當(dāng)前，智能家居系統(tǒng)中的內(nèi)部家庭網(wǎng)絡(luò)所采用的連接技術(shù)可以“有線”和“無(wú)線”兩大類[1]。有線方式雖然穩(wěn)定可靠，但是布線困難，可可擴(kuò)展性和維護(hù)性差，而無(wú)線技術(shù)以其傳輸靈活，移動(dòng)性強(qiáng)等有線方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)而成為智能家居聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向。近年來(lái)研究的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為智能家居家內(nèi)部組網(wǎng)的研究重點(diǎn)[2]。雖然Zigbee技術(shù)基本可以滿足當(dāng)前的組網(wǎng)需求，但是在網(wǎng)絡(luò)容量，網(wǎng)絡(luò)覆蓋，抗干擾性等方面還存在不足[3]。無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信范圍小、穩(wěn)定性差是現(xiàn)階段智能家居網(wǎng)絡(luò)需要解決的主要問(wèn)題之一。

本文在搭建好ZigBee智能家居網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用廣東天嵌公司的TQ2440開(kāi)發(fā)板和三星公司的ARM9芯片，設(shè)計(jì)可以自動(dòng)尋跡的移動(dòng)ZigBee節(jié)點(diǎn)來(lái)提高智能家居網(wǎng)絡(luò)的通信范圍，增加網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

1 移動(dòng)巡航節(jié)點(diǎn)必要性分析

智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑２捎眯切?、?shù)型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于靈活性、可靠性最優(yōu)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中有一條鏈路斷開(kāi)時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器都會(huì)根據(jù)路由表找到新的傳輸路徑，但是有一種情況如圖-1所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B發(fā)生故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)A就會(huì)脫離網(wǎng)絡(luò)，為了解決這種突發(fā)情況，將節(jié)點(diǎn)C安裝在擁有自動(dòng)巡航功能的智能小車上，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B發(fā)生故障時(shí)智能小車搭載節(jié)點(diǎn)C通過(guò)紅外尋跡，到達(dá)故障節(jié)點(diǎn)B的大概位置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修復(fù)與補(bǔ)充。

圖1 智能小車排障示意圖

如果用戶對(duì)系統(tǒng)的連接時(shí)延，誤碼率要求非常高，可以采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)絡(luò)具有最低的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，但是其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍與網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性也是最低的，引入智能小車巡航功能也可以提高其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。在星型網(wǎng)絡(luò)中，智能小車必須安裝ZigBee協(xié)調(diào)器，這樣才能最大程度的提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

2 智能小車在智能居家系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

2.1 智能小車尋跡策略實(shí)現(xiàn)

智能小車的巡航功能要通過(guò)尋跡算法實(shí)現(xiàn)智能小車對(duì)任務(wù)點(diǎn)的識(shí)別和智能小車出軌后的尋線動(dòng)作[4]。本文中的智能小車采用文獻(xiàn)[4]中紅外線尋跡策略，在智能小車的車頭部分安裝了8個(gè)紅外傳感器，用于檢測(cè)小車行駛路徑。每個(gè)傳感器間距20mm，在制作尋跡道路的時(shí)候，將道路的寬度定為40～45mm，通過(guò)檢測(cè)到黑色路徑的傳感器編號(hào)來(lái)確定小車在道路中的位置，如圖-2所示。智能小車通過(guò)尋跡路線預(yù)判路徑的方向與轉(zhuǎn)角，然后，通過(guò)安裝在電機(jī)上的光電編碼器碼盤檢測(cè)小車底部4個(gè)電機(jī)的傳動(dòng)速度，根據(jù)紅外傳感器獲取到的道路情況，使用脈寬調(diào)制PWM控制技術(shù)調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到小車轉(zhuǎn)彎的目的[5]。

圖2 紅外尋跡與軌道示意圖

圖2中所示的每個(gè)紅外線傳感器之間的距離和黑線的寬度，這就使得小車在走直線時(shí)最少有2個(gè)紅外傳感器線檢測(cè)到黑線，最多有3個(gè)紅外傳感器檢測(cè)到黑線，如果用0表示紅外傳感器檢測(cè)到白，用1表示紅外傳感器檢測(cè)到黑，則智能小車就可以通過(guò)紅外傳感器獲取黑線信息，從而控制小車的轉(zhuǎn)向。

本文中的智能小車是通過(guò)4個(gè)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪子不同轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。由于處理器輸出的信號(hào)功率不能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以通過(guò)2塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)。

2.2 任務(wù)點(diǎn)設(shè)置

智能小車雖然可以根據(jù)黑線的直與彎自動(dòng)尋跡行進(jìn)，但它只能按照用戶規(guī)定的路線進(jìn)行巡視。在智能家居系統(tǒng)中，用戶往往需要獲取不同地點(diǎn)、不同房間的環(huán)境信息，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文通過(guò)在黑線上設(shè)置任務(wù)點(diǎn)，使得智能小車可以識(shí)別不同的房間和地點(diǎn)。

設(shè)置任務(wù)點(diǎn)的思想就是利用黑線和白線設(shè)置不同的排列組合，這些排列組合必須區(qū)別與正常行駛是的幾種組合方式，當(dāng)紅外線傳感器檢測(cè)到的排列組合和開(kāi)發(fā)者在程序中定義排列組合相對(duì)應(yīng)的時(shí)候，小車就可以根據(jù)開(kāi)發(fā)者在程序中對(duì)這種排列組合的描述來(lái)確定所處的房間位置。

由于實(shí)際環(huán)境中地面可能會(huì)出現(xiàn)裂痕、污點(diǎn)或雜物，這些因素會(huì)影響到紅外線傳感器對(duì)任務(wù)點(diǎn)檢測(cè)，從而判斷錯(cuò)誤。在本文中的任務(wù)點(diǎn)選取了幾種連續(xù)黑線或者不容易產(chǎn)生混淆的黑線設(shè)置方案，又由于小車的車體可能會(huì)有大概一個(gè)傳感器距離的偏差，所以，最終可以明顯辨別的黑線編碼方式并不多，可用到的幾種編碼方式如圖-3所示。

圖3 五種任務(wù)點(diǎn)示意圖

考慮到小車直行時(shí)車體位置可能出現(xiàn)的誤差，對(duì)出現(xiàn)誤差時(shí)任務(wù)點(diǎn)可能的情況進(jìn)行分析，選出了五中辨識(shí)度較高的任務(wù)點(diǎn)設(shè)置方案，具體編碼如表-1所示。

表-1任務(wù)點(diǎn)編碼表

2.3 智能小車尋跡實(shí)現(xiàn)

本文尋跡算法的原理是根據(jù)紅外線傳感器獲取的黑線情況估計(jì)小車與黑線的位置關(guān)系，然后通過(guò)調(diào)節(jié)左右輪子的轉(zhuǎn)速，控制小車調(diào)整車體位置，從而達(dá)到轉(zhuǎn)彎的目的，紅外線傳感器檢測(cè)到黑線則發(fā)送1到處理器，否則就發(fā)送0到處理器，處理器收到紅外線傳感器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，使用8次循環(huán)對(duì)8個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，紅外線傳感器從左到右依次賦以權(quán)重值i=0、1、2、3、4、5、6、7，a為傳感器傳送到處理器的信息0或1，通過(guò)公式（1）求得智能小車的轉(zhuǎn)彎速度的權(quán)值，其中sum為檢測(cè)到黑線的紅外線傳感器個(gè)數(shù)，通過(guò)公式（2）和（3）可以計(jì)算出小車過(guò)彎時(shí)右側(cè)輪子和左側(cè)輪子的轉(zhuǎn)速，其中R可控制轉(zhuǎn)角大小，V是小車直行是輪子的轉(zhuǎn)速?？梢?jiàn)當(dāng)黑線在小車中間時(shí)，3、4號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)=0，和都等于小車直行是的轉(zhuǎn)速；當(dāng)黑線偏左時(shí)，為負(fù)數(shù)，變大，變小，小車做左轉(zhuǎn)彎動(dòng)作；當(dāng)黑線偏右時(shí)，為正數(shù)，變小，變大，小車做右轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。

智能小車識(shí)別任務(wù)點(diǎn)是在尋跡程序中定義了任務(wù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紅外線傳感器檢測(cè)到黑線的情況，并把他們保存在數(shù)組之中，當(dāng)紅外線傳感器輸入值和數(shù)組之中的某一項(xiàng)相同時(shí)，則進(jìn)入任務(wù)點(diǎn)，執(zhí)行用戶指定的任務(wù)動(dòng)作。智能小車出軌后自動(dòng)尋線動(dòng)作要考慮到全白任務(wù)點(diǎn)的存在，當(dāng)小車紅外線傳感器輸入全零時(shí)，進(jìn)入時(shí)間為2秒的延遲，期間小車?yán)^續(xù)直行，如果2秒延遲過(guò)后檢測(cè)不到黑線，則智能小車向左轉(zhuǎn)向90度，每隔一秒轉(zhuǎn)角減小5度，這樣，小車就會(huì)不斷的增大轉(zhuǎn)角做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)重新檢測(cè)到黑線是，繼續(xù)通過(guò)黑線做尋跡行駛。圖-4為智能小車軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖4 智能小車程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了獲取ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，本文將Z-Stack協(xié)議棧Profile文件夾下AF.c文件中的結(jié)構(gòu)體afIncomingMSGP acket_t提取出來(lái)，在終端節(jié)點(diǎn)上連接CC Debugger仿真器，通過(guò)IAR的程序斷定調(diào)試功能，檢測(cè)不同時(shí)刻RSSI和LQI參數(shù)指標(biāo)。

其中RSSI即為信號(hào)強(qiáng)度指示，是真實(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度與最優(yōu)接收功率等級(jí)間的差值，RSSI在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中表示信號(hào)的強(qiáng)度，它隨距離的增大而衰減，通常為負(fù)值，該值越接近零，說(shuō)明信號(hào)強(qiáng)度越高；LQI是鏈路質(zhì)量指示，表示接收數(shù)據(jù)幀的能量與質(zhì)量，其大小基于信號(hào)強(qiáng)度以及檢測(cè)到的信噪比，由MAC層計(jì)算得到并提供給上一層，一般與正確接收到數(shù)據(jù)幀的概率有關(guān)[6]。圖-5與圖-6分別為協(xié)調(diào)器圖5與圖6分別為協(xié)調(diào)器與測(cè)試節(jié)點(diǎn)相距0～30米的無(wú)障礙環(huán)境中測(cè)得的RSSI指數(shù)與LQI指數(shù)分布圖。

圖5 無(wú)障礙環(huán)境RSSI統(tǒng)計(jì)圖

圖6 無(wú)障礙環(huán)境LQI統(tǒng)計(jì)圖

由圖-5，圖-6可以看出本文中的ZigBee節(jié)點(diǎn)在0到30米的無(wú)障礙視距環(huán)境中，隨著兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離的增大，信號(hào)強(qiáng)度RSSI和鏈路質(zhì)量LQI呈下降趨勢(shì)。 通過(guò)實(shí)際的測(cè)試與總結(jié)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相距在30米以內(nèi)時(shí)，通信基本可靠與快捷，當(dāng)距離大于30米時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)常發(fā)生丟包或者綁定斷開(kāi)的情況，從而影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

在搭建好ZigBee智能家居網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)Android智能終端的遠(yuǎn)程控制后，將一個(gè)ZR設(shè)備安裝到智能小車上，通過(guò)智能小車的自動(dòng)尋跡功能，這個(gè)ZG節(jié)點(diǎn)可以在其他ZR節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)修復(fù)故障節(jié)點(diǎn)，如果將ZC設(shè)備安裝到智能小車上，則小車可以在很大的范圍內(nèi)收集各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息。如圖7所示智能居家環(huán)境中，小車能根據(jù)黑線中設(shè)置的任務(wù)點(diǎn)來(lái)識(shí)別不同的房間，在到達(dá)不同房間后收集環(huán)境信息，也可以在協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)之間建立路由，從而使終端節(jié)點(diǎn)可以接收到來(lái)自與協(xié)調(diào)器的控制命令，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

圖7 智能小車循跡示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在智能家居系統(tǒng)中引入了能夠自動(dòng)尋跡的智能小車，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：一時(shí)通過(guò)智能小車自動(dòng)尋跡功能，在某些節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)時(shí)，智能小車移動(dòng)到此節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的位置，在其和協(xié)調(diào)器之間建立中繼路由，提高居家網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；二是可以在某些星狀網(wǎng)絡(luò)中搭載協(xié)調(diào)器，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，從而在減小網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的前提下，擁有比較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

[1]高小平.中國(guó)智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].低壓電器, 2005,(04):18-21.

[2]易強(qiáng).基于3G和Zigee的智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣東:廣東工業(yè)大學(xué),2012.

[3]物聯(lián)網(wǎng)智能家居的發(fā)展前景[EB/OL].http://www.cnjj.com/ news/show.php?itemid=6265,2013-06-03.

[4]胡媛媛,鄧世建,王書(shū)婧.基于紅外線傳感器的智能尋跡小車設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)與工程,2011,19(04):141-143.

[5]Z-Stack Developer’s Guide.Texas Instruments.Document Number:SWRA176,2011.

[6]劉建國(guó).基于DRNG的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯縖D].重慶:西南大學(xué),2011.

Application of Automatic Guided Vehicle to Improve Stability of Smart Home Systems

LI Ling-xiang LUO Peng

(Computer department,Hunan University of Science and Engineering,Hunan Yongzhou,425199,China)

To address the problem in which the overall performance of a smart home system might be degraded with the instability of its ZigBee network,due to that the area covered by its nodes subject to the impact from environmental factors,this paper proposes the design of a mobile ZigBee node,namely Automatic Guided Vehicle(AGV),which is able to identify different rooms in a smart home and to monitor the home environment,even to collect data from various sensor nodes in the smart home and to repair any fault nodes.Experiments show that an AGV unit in a smart home system reduces the probability of system failure and improves the coverage and stability of the system.

Automatic Guided Vehicle(AGV),ZigBee,Smart Home Syste

TP18,TP183,TB115

A

1673-2219（2014）05-0125-04

2014－02－22

湖南省教育廳科技項(xiàng)目（11C0599, 11C0598），永州市科技局資助項(xiàng)目（永科發(fā)[2012]9號(hào)

李玲香(1976－)，女，湖南郴州人，講師。研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、信號(hào)與信息處理。

（責(zé)任編校：劉志壯）