ZigBee身份識別技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：利用ZigBee的低速率、低功耗、低成本等特點，設(shè)計并制作了滿足現(xiàn)場應(yīng)用的身份識別卡。應(yīng)用于ZigBee和GSM這兩種網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的智能家居系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對家庭內(nèi)部ZigBee設(shè)備的監(jiān)控和管理。闡述了基于身份識別技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的整體方案，并給出了詳細的軟硬件實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)成本低廉、性能穩(wěn)定、便于使用，具有很高的推廣價值及應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；MC52I；無線組網(wǎng)；身份識別技術(shù)

0 引言
    隨著電子技術(shù)特別是無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對通信技術(shù)的功耗、可靠性及靈活性的要求越來越高。作為一種具有低功耗、低成本、數(shù)據(jù)傳輸可靠及組網(wǎng)靈活等特點的ZigBee技術(shù)，越來越引起人們的關(guān)注，非常適合家庭這種短距離無線組網(wǎng)的使用。而作為現(xiàn)有成熟的GSM(Global System for Mobile Communication)技術(shù)，因其在網(wǎng)絡(luò)資源，傳輸特性及數(shù)據(jù)可靠性等方面的優(yōu)勢，為人們提供了一個機動、靈活、可靠的遠距離傳輸方式。本文介紹了一種基于這兩種技術(shù)相結(jié)合的控制方案，并安裝于筆者的家庭中，經(jīng)過一年多的實際應(yīng)用，收到了令人滿意的效果。為倡導的“技術(shù)走出實驗室”的發(fā)展思路，起到很好的推動和示范作用。特別是本系統(tǒng)采用的身份識別技術(shù)，為系統(tǒng)的成熟應(yīng)用提供了有力的保障。下面給出系統(tǒng)詳細的設(shè)計方案及軟硬件設(shè)計。

1 系統(tǒng)的總體方案
    本著盡量減少安裝布線的原則，并充分考慮到系統(tǒng)的靈活性和便利性，所有設(shè)備采用模塊化設(shè)計。該系統(tǒng)主要由中心控制器、紅外檢測、煙霧檢測、煤氣檢測、供水控制、空調(diào)控制、電器控制終端及身份識別卡組成。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

    系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備采用CC2530無線單片機作為主控芯片。中心基站除負責完成GSM網(wǎng)絡(luò)通信外，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將紅外檢測、煙霧檢測、煤氣檢測、供水控制、空調(diào)控制、電器控制終端及身份識別卡等終端整合在一起，構(gòu)成一套功能完善的智能家居系統(tǒng)。
    系統(tǒng)的創(chuàng)新點：現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)的設(shè)防和撤防方式，多采用遙控的形式，給用戶的現(xiàn)場使用帶來許多不便。但采用身份識別技術(shù)后，系統(tǒng)在運行時，中心基站會自動識別用戶的身份，對系統(tǒng)的設(shè)防狀態(tài)進行切換，極大的方便了用戶的使用。另外，在用戶的身份卡上設(shè)計了“報警”按鈕，一旦出現(xiàn)緊急情況，只要按壓該按鍵，主人的手機將會收到緊急呼叫的信息，這也是本系統(tǒng)的一大亮點。
    系統(tǒng)的設(shè)計要點：一是保證中心基站和GSM網(wǎng)絡(luò)、終端設(shè)備及身份識別卡之間通信的準確性和可靠性。二是出現(xiàn)報警信息后必須準確、及時的發(fā)送到用戶手機上。三是身份卡的低功耗設(shè)計和低電量報警功能等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2．1 中心基站的硬件設(shè)計
    在充分考慮功能及中心基站體積的前提下，采用SIEMENS公司最新推出的超小型GSM模塊MC52I。該模塊具有體積小、重量輕、低功耗、速度快等特點。MC52I包括了MC35I，MC39I，TC35I的所有功能，通信采用標準RS 232雙向接口，支持標準的AT指令，并可自適應(yīng)1．8 V和3 V的SIM卡。在單片機和MC52I通信時，可不用MAX232等電平轉(zhuǎn)換芯片，只要串接56 Ω平衡電阻即可。MC52I部分硬件原理如圖2所示。

2．2 身份識別卡的硬件設(shè)計
    身份識別卡使用超小型鋰電池供電，采用miniUSB口充電，并設(shè)計專用的充放電保護電路。電池的電壓檢測采用電阻分壓的形式，利用單片機的A／D端口進行判斷，電池電壓一旦低于設(shè)定閾值，單片機在發(fā)送數(shù)據(jù)時，則把該報警信息一同傳送給中心基站。中心基站以短信的形式通知主人。該部分的原理如圖3所示。

    ZigBee部分用CC2530單片機作為主控芯片，數(shù)據(jù)傳輸方式采用UDP格式。單片機工作在低功耗模式下，每隔2 s單片機發(fā)送一次數(shù)據(jù)，然后進入休眠狀態(tài)。這樣大大降低了身份卡的功耗。從現(xiàn)場測試的結(jié)果來看，用320 mA／3．7 V的鋰電池充滿電后，身份卡可工作6個月左右。另外，因為身份卡需隨身攜帶，所以在設(shè)計時要從卡片的體積、強度及防護等多方面考慮。身份卡的單片機部分原理圖如圖4所示。

2．3 其他終端的硬件設(shè)計
    為了提高各個檢測終端的可靠性及美觀性，紅外、煙霧及煤氣檢測終端的探頭使用現(xiàn)有市場的成熟產(chǎn)品，并把ZigBee控制板安裝于探頭內(nèi)。CC2530負責檢測探頭的I／O變化，把數(shù)據(jù)傳輸給中心基站?？照{(diào)及電器控制終端采用本地供電方式，在收到中心基站的控制命令后，驅(qū)動相應(yīng)的繼電器動作，并對動作情況進行檢測，把狀態(tài)反饋給中心基站。供水控制終端的執(zhí)行機構(gòu)采用家用電動閥門，閥門自帶行程開關(guān)，單片機可根據(jù)開關(guān)的閉合情況來判斷閥門狀態(tài)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    中心基站加電成功后，首先對GSM模塊進行初始化。等GSM通信建立后，中心會對每個終端的狀態(tài)及身份卡存在情況進行查詢，并發(fā)一條短信到主人的手機上，使用戶確認系統(tǒng)工作正常。如果單片機和GSM模塊間的通信出現(xiàn)異常，單片機控制Q2使MC52I重新上電。具體的軟件設(shè)計流程如圖5所示。

    在設(shè)計身份卡軟件時，應(yīng)將降低卡片的功耗作為設(shè)計的重點。在單片機加電初始化時，對睡眠時間、功耗模式和喚醒方式等參數(shù)進行讀取，然后進入休眠模式。當單片機定時喚醒后，會把自身的ID、電池和按鍵狀態(tài)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。身份卡設(shè)計主程序流程圖如圖6所示。

4 調(diào)試及使用情況說明
    本系統(tǒng)的運行狀態(tài)可分為自動和手動兩種方式。主人可通過手機發(fā)送相應(yīng)的中文短信對狀態(tài)進行切換。當系統(tǒng)工作在“自動”狀態(tài)時，中心基站會根據(jù)身份卡的存在情況，進行布防或撤防。當出現(xiàn)身份卡遺落在家中的情況時，主人可通過手機短信把系統(tǒng)切換到“手動”狀態(tài)。
    當系統(tǒng)進入設(shè)防狀態(tài)時，中心基站會把狀態(tài)值通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給每個終端設(shè)備。此時，家中的供水總閥門將自動關(guān)閉，紅外、煙霧及煤氣檢測終端會切換到“設(shè)防”狀態(tài)。一旦出現(xiàn)有人非法闖入或出現(xiàn)異常情況時，中心基站會把報警信息以GSM手機短信的形式發(fā)送到主人的手機上。當系統(tǒng)撤防后，中心基站會控制終端把家中的供水閥門打開；關(guān)閉紅外報警電源；煙霧及煤氣檢測終端轉(zhuǎn)換到本地報警狀態(tài)。另外，主人手機也可通過短信來控制空調(diào)及家電的開啟和關(guān)閉，主人發(fā)出的所有的短信命令，系統(tǒng)會把執(zhí)行結(jié)果回復到命令手機上。

5 結(jié)語
    基于身份卡識別技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，從一開始的設(shè)計方向就定位在現(xiàn)場應(yīng)用上。而且，充分考慮了家居設(shè)備在美觀性、便利性、可靠性及個性化等方面的特殊要求。選用了成熟穩(wěn)定的探測器產(chǎn)品，大大減少二次開發(fā)的周期。從軟件和硬件兩方面入手，對ZigBee身份卡的體積、外觀、功耗及數(shù)據(jù)準確性等方面進行設(shè)計，達到了預期效果。通過筆者一年多的使用情況來看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，完全滿足應(yīng)用及推廣條件。