隨著現代高新科學技術的發展，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、環保、高效的生活環境。

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設計方案。

1 TinyOS操作系統與nesC語言

TinyOS是當前無線傳感器網絡開發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行模型結合起來，并采用基于任務和事件的并發模型。

2 智能家居總體設計

根據智能家居的實際應用需求，智能家居系統設計主要包括網絡節點和監控系統兩大部分。

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

監控系統功能包括：可通過點擊按鈕經串口通信向主節點發送命令，控制分節點動作(包括：燈光明暗以及門鎖開、關)，可以顯示從分節點傳送的溫度、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，用來顯示當前家居設備的狀態，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。設備層：系統的各網絡節點，設備主節點與各模塊從節點之間通過無線來進行通信。

3 智能家居網絡節點設計

智能家居系統是一種小范圍、多節點、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，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點發送的信號后，夾在可控硅上電壓的波形。可控硅由節點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相位的方式改變光的強度。可控硅調節光強度主要原理在于，改變觸發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的交流電壓變為5 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 智能家居監控系統設計

智能家居系統的各網路節點需要由一套完善的監控系統控制運行狀態。監控系統通過串口通信將命令發送至主節點，再由主節點將命令經無線通信傳遞至分節點控制設備進行相應動作;同時，可將傳感器采集的環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】按鍵命主節點向燈光控制節點發送命令，調亮或者調暗燈的照明度。點擊【門鎖】按鍵，可經主節點向門鎖控制節點發送命令，打開或者關閉門鎖，并改變場景狀態顯示區域內的門鎖狀態圖片。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 系統功能實現

本系統的設計實現。是在搭載windows XP系統的PC機端進行測試。分別給無線網絡主節點、燈光控制節點，門鎖控制等節點上電。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，說明系統功能。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

本系統采用Visual C++設計了上位機監控界面，實現了監控界面與無線網絡主節點之間的串口通信，采用NesC語言在TinyOS操作系統環境下實現了網絡各節點之間的Zigbee無線通信。經由主節點，上位機能夠控制其它無線網絡節點的動作，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，上位機監控系統可以存儲和顯示由無線網絡節點采集的溫度、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控制的智能化，同時具有很強的擴展性。