改進的退避算法在智能家居控制系統中的應用

吳房勝，徐金秀，施冬冬，陳業慧

隨著經濟技術的快速發展，人們對居家生活舒適便捷的要求越來越高.在當今物聯網時代，智能家居能夠滿足人類的要求，通過科技創新，使人類生活得更加節能環保、安全方便.隨著人們需求的增加，智能家居必將會成為中國的主流行業之一，市場發展前景非常廣闊［1］.

1 系統概述及退避算法原理

本系統通過模擬真實的家居環境，搭建一個智能平臺.平臺上使用了火焰傳感器、溫濕度傳感器、熱釋電紅外傳感器、紅外對射傳感器、光照傳感器及煙霧傳感器等，通過各種傳感器對室內環境實時采集，利用CC2530主控芯片，實現數據處理、無線傳輸及智能控制等.此外，還安裝了攝像頭、風扇、電燈和報警燈等設備進行現象模擬，當感測到火焰、煙霧氣體、外來人員入侵等突發情況時，ZigBee 芯片通過繼電器模塊，控制報警器、風扇、攝像頭等器件，攝像頭進行視頻拍攝，并將視頻上傳到云平臺存儲；家庭PC 端可通過電信網關，通知房屋主人家里有人入侵或者發生火災，并通知房主撥打火警電話，使得家庭在安全防衛方面更加智能便捷.同時移動端的安卓APP 和家庭PC 終端均可獲取家庭的各種信息，并進行家庭突發情況的監控和相應的管理，其中安卓APP 軟件還可通過攝像頭對門口人員外貌進行識別并可遠程開門，避免了戶主不在家時，家中來客人卻只能在門口等待的尷尬.該系統的結構框圖如圖1所示［2-3］.

圖1 系統結構框圖

本系統用到多個數據采集的傳感器，如溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器等，采集到的大量數據進行無線傳輸時，難免會出現多個節點同時傳送數據而發生數據碰撞的現象，這需要限制各節點對信道的訪問頻率，故需要采用退避機制，來降低碰撞的發生.本系統采用二進制指數退避（BEB）算法中的時隙CSMA/CA（信標使能網絡）算法，并對算法進行改進，該算法主要實現無線信道的訪問，是一種免沖突載波檢測的多路接入算法.算法中有NB、CW和BE三個變量需要進行相應的維護.NB為節點剛接入信道時，即數據幀開始進行傳輸之前，執行時隙CSMA/CA算法所需退避的次數.CW為競爭窗口的大小，是數據幀傳輸之前，連續檢測到的空閑信道的次數.BE是節點的退避指數，其值和CW關聯［4］.

該算法是先初始化在MAC 層的NB和CW的值，并判斷電池電量是否用盡，再初始化不同的BE值.然后等待下一個退避邊緣到來，再進行隨機退避，隨機延遲一個隨機數時隙的退避周期，該隨機數在［0，2BE-1］之間產生.如果超幀CAP階段剩余的時隙小于退避的時隙值，則停止當前退避計時，下一個超幀CAP開始時再重新執行之前的退避計時.隨機退避結束后，進行CCA信道檢測.如果CCA 信道不為空，CW、NB和BE三者重新賦值，CW=2，NB=NB+1，BE=min（BE+1，amaxBE）.然后檢測NB值是否大于最大退避次數值，如果大于，則數據發送不成功，訪問失敗，否則就再次隨機延遲，重新進行退避檢測.如果CCA信道為空，執行CW=CW-1，再判斷CW是否等于0，若是，表明數據訪問信道成功，可以發送數據；若否，則返回到CCA 信道檢測任務，重新檢測.

該退避算法解決數據碰撞問題是通過設置退避指數，改變競爭窗口值實現，當退避指數達到極限值，再增加退避次數重新傳輸.該算法有兩個方面的不足，首先是BE值的設定問題，BE在初始化時的值為macminBE，未進入信道時該值隨機退避在0～2minBE間的一個周期，如果網絡節點少，則第一次隨機延時的BE值會選擇過大；如果網絡節點多，BE值需要多次進行加1，會導致網絡功耗增大.其次，本系統是基于智能家居系統的場景，該系統中的煙霧、火焰等報警信息比較重要，在信道中需要優先傳送.但上述算法對數據的傳送都是平等的，溫濕度、光照等非重要的信息可能會先競爭到信道中，進行傳送，而更重要的信息可能無法優先傳送［3］.

針對上述問題，本文對CSMA/CA 退避算法從三個方面進行改進.第一，改變NB的大小.由于很多節點同時訪問信道時，發生碰撞概率增大，故降低NB的極限值能夠降低重傳的概率.如果網絡中節點數量較多，NB極限值設小一點，反之，NB極限值設大一點.第二，改變BE的大小.BE值的大小由各數據包的優先級來決定.一旦發生數據碰撞，開始隨機延遲，隨機數不從0～2BE中間選取，而在2BE+1～2amaxBE中間選取該值一個周期的隨機時隙.第三，改變CW的大小.采集數據后，對每個數據包進行優先級的設定.不同優先級的數據包，對應不同大小的CW，如將優先級別高的CW值設為1，優先級別低的CW值設為2，則優先級別高的數據包對信道檢測的時間會變小，降低了網絡的功耗［5］.

2 硬件設計

該系統對信號的采集及控制采用CC2530F256芯片，該芯片將射頻收發功能與51 內核集成到同一芯片中，是一個獨立的片上系統.系統中煙霧傳感器采用MQ-2煙霧傳感器，可檢測家庭天然氣、酒精、一氧化碳等氣體；熱釋電紅外傳感器采用HC-SR501，該傳感器功耗低，感應范圍可達7 米距離；溫濕度傳感器采用SHT10 集成芯片，該芯片采集精度高，穩定性高，功耗低；火焰傳感器采用R2868 火焰傳感器.各類傳感器將采集到數據傳送給CC2530F256 主控芯片，芯片將采集到的信號經模數轉換并自組網，控制電燈、風扇、報警器電動門鎖等器件，并將數據傳送到PC 終端，PC 終端存儲傳感器采集的數據及視頻信息，并控制電信網關，實現自動撥打電話功能.安卓移動端可以從云平臺中獲取當前采集的動態數據、視頻數據等，可隨時查看當前數據，并可通過攝像頭對門口人員外貌進行識別，實現遠程開門［6］.

本系統對智能家居搭建了一個模擬平臺，如圖2 所示.所有傳感器和控制器件均安裝在平臺上，平臺上方從左到右分別是四個ZigBee 模塊，其中三個附帶繼電器模塊，第二個附帶溫濕度模塊，最右邊是攝像頭；中間一行是風扇、燈泡等器件及煙霧傳感器；最下面一行從左到右分別是紅外對射模塊、兩個ZigBee 模塊（各自集成光照傳感器、熱釋電紅外傳感器等）、數字量I/O模塊.

圖2 平臺搭建實物圖

3 軟件設計

針對前面所述改進的退避算法，其軟件流程圖如圖3 所示.初始化后，為減少重傳次數，先要判斷網絡負載情況，若較大，初始化較小的NB極限值，若較小則初始化較大的值，然后根據優先級高低設置NB與CW的值，高優先級CW=1，低優先級CW=2，再判斷電池電量是否用盡來設置不同的BE值，等待下一個退避邊緣后進行隨機退避.退避結束后進行CCA 信道檢測.若信道忙，CW根據優先級高低重新設為1 或者2，NB重新自加1.只要NB的值未超過上限值，則在［2BE-l，2min（BE+l，amaxBE）-1］間隨機延遲一個周期，從而減少不必要的碰撞，降低網絡功耗，若超過，數據發送失敗.若信道空閑，CW自減1，再判斷CW是否為0，若是，數據發送成功，若否，則重新進行新一輪退避檢測.

圖3 改進的CSMA/CA退避算法流程圖

該系統的軟件分為三個部分，第一部分是下位機CC2530F256 單片機程序的編寫，程序編寫采用模塊化編程，方便移植，主要完成對各類傳感器數據的采集處理，并將數據傳輸給上位機.第二部分是安卓軟件APP開發，通過安卓軟件設計顯示監控界面及采集的數據.第三部分是物聯網云平臺的搭建，實現視頻及采集數據的存儲與管理［7］，該系統整體控制流程圖如圖4所示.

圖4 系統控制流程圖

4 測試與分析

該系統模擬平臺搭建完成后，對所有傳感器及ZigBee模塊進行通電檢測，確保所有模塊正常工作.傳感器模塊采集多路數據，經過CSMA/CA退避算法處理，將信號上傳給終端，終端顯示及控制界面如圖5所示，從圖5中可以看到溫濕度、紅外、火焰、可燃氣體等數據，該數據能穩定并可實時顯示，還可實時控制開關門、開關燈、開關排氣扇和窗簾等.

圖5 PC終端測試界面

在CC2530控制模式下，當發生火情時，家中的排風扇會自動打開，減少室內煙霧的濃度，可以讓戶主更加安全地逃離，同時PC 終端通過電信網關報警，如果戶主在外，安卓APP 端也會通知家中發生火情，避免家中有人但沒有覺察到火情而產生危險；氣體傳感器會實時檢測可燃氣體含量，當氣體濃度達到設定值時，排風扇會自動打開；當有障礙物擋住平臺上紅外對射時，紅外對射數據顯示為1，并且提示有人入侵，入侵界面如圖6所示.

圖6 入侵界面

手機端的AAP通過安卓軟件開發，如圖7所示，注冊賬戶并登陸成功后，進入監控界面，該界面上有各個傳感器采集到的各項數據，可實時顯示室內溫度濕度，以及家中是否有火災發生，廚房是否有燃氣泄漏等.當攝像頭檢測到門口有物體移動時，攝像頭可進行自動拍攝，并將圖像數據發送至手機移動端，如果戶主認識圖像中的人，可以直接通過手機進行遠程開門.

圖7 手機安卓端監控界面

5 總結

本系統是基于ZigBee設計的智能家居，利用各種傳感器采集數據，理論上采用改進的退避算法降低信道競爭時間，減少數據重傳，提高數據吞吐量及傳輸效率，降低了網絡功耗.具有采集精度高，處理速度快并可無線組網傳輸等功能，完成了視頻監控、數據遠程監測、遠程開關門等功能，實現電腦和手機雙重監控，保障人們的生活質量，產業前景十分廣闊.