ZigBee身份识别技术在智能家居系统的应用

摘要：利用ZigBee的低速率、低功耗、低成本等特点，设计并制作了满足现场应用的身份识别卡。应用于ZigBee和GSM这两种网络相结合的智能家居系统中，实现了对家庭内部ZigBee设备的监控和管理。阐述了基于身份识别技术的智能家居系统的整体方案，并给出了详细的软硬件实现方法。该系统成本低廉、性能稳定、便于使用，具有很高的推广价值及应用前景。
关键词：ZigBee；CC2530；MC52I；无线组网；身份识别技术

0 引言
    随着电子技术特别是无线通信技术的快速发展，人们对通信技术的功耗、可靠性及灵活性的要求越来越高。作为一种具有低功耗、低成本、数据传输可靠及组网灵活等特点的ZigBee技术，越来越引起人们的关注，非常适合家庭这种短距离无线组网的使用。而作为现有成熟的GSM(Global System for Mobile Communication)技术，因其在网络资源，传输特性及数据可靠性等方面的优势，为人们提供了一个机动、灵活、可靠的远距离传输方式。本文介绍了一种基于这两种技术相结合的控制方案，并安装于笔者的家庭中，经过一年多的实际应用，收到了令人满意的效果。为倡导的"技术走出实验室"的发展思路，起到很好的推动和示范作用。特别是本系统采用的身份识别技术，为系统的成熟应用提供了有力的保障。下面给出系统详细的设计方案及软硬件设计。

1 系统的总体方案
    本着尽量减少安装布线的原则，并充分考虑到系统的灵活性和便利性，所有设备采用模块化设计。该系统主要由中心控制器、红外检测、烟雾检测、煤气检测、供水控制、空调控制、电器控制终端及身份识别卡组成。系统整体设计方案如图1所示。

    系统内所有设备采用CC2530无线单片机作为主控芯片。中心基站除负责完成GSM网络通信外，通过ZigBee无线网络将红外检测、烟雾检测、煤气检测、供水控制、空调控制、电器控制终端及身份识别卡等终端整合在一起，构成一套功能完善的智能家居系统。
    系统的创新点：现有的智能家居系统的设防和撤防方式，多采用遥控的形式，给用户的现场使用带来许多不便。但采用身份识别技术后，系统在运行时，中心基站会自动识别用户的身份，对系统的设防状态进行切换，极大的方便了用户的使用。另外，在用户的身份卡上设计了"报警"按钮，一旦出现紧急情况，只要按压该按键，主人的手机将会收到紧急呼叫的信息，这也是本系统的一大亮点。
    系统的设计要点：一是保证中心基站和GSM网络、终端设备及身份识别卡之间通信的准确性和可靠性。二是出现报警信息后必须准确、及时的发送到用户手机上。三是身份卡的低功耗设计和低电量报警功能等。

2 系统的硬件设计
2．1 中心基站的硬件设计
    在充分考虑功能及中心基站体积的前提下，采用SIEMENS公司最新推出的超小型GSM模块MC52I。该模块具有体积小、重量轻、低功耗、速度快等特点。MC52I包括了MC35I，MC39I，TC35I的所有功能，通信采用标准RS 232双向接口，支持标准的AT指令，并可自适应1．8 V和3 V的SIM卡。在单片机和MC52I通信时，可不用MAX232等电平转换芯片，只要串接56 Ω平衡电阻即可。MC52I部分硬件原理如图2所示。

2．2 身份识别卡的硬件设计
    身份识别卡使用超小型锂电池供电，采用miniUSB口充电，并设计专用的充放电保护电路。电池的电压检测采用电阻分压的形式，利用单片机的A／D端口进行判断，电池电压一旦低于设定阈值，单片机在发送数据时，则把该报警信息一同传送给中心基站。中心基站以短信的形式通知主人。该部分的原理如图3所示。

    ZigBee部分用CC2530单片机作为主控芯片，数据传输方式采用UDP格式。单片机工作在低功耗模式下，每隔2 s单片机发送一次数据，然后进入休眠状态。这样大大降低了身份卡的功耗。从现场测试的结果来看，用320 mA／3．7 V的锂电池充满电后，身份卡可工作6个月左右。另外，因为身份卡需随身携带，所以在设计时要从卡片的体积、强度及防护等多方面考虑。身份卡的单片机部分原理图如图4所示。

2．3 其他终端的硬件设计
    为了提高各个检测终端的可靠性及美观性，红外、烟雾及煤气检测终端的探头使用现有市场的成熟产品，并把ZigBee控制板安装于探头内。CC2530负责检测探头的I／O变化，把数据传输给中心基站。空调及电器控制终端采用本地供电方式，在收到中心基站的控制命令后，驱动相应的继电器动作，并对动作情况进行检测，把状态反馈给中心基站。供水控制终端的执行机构采用家用电动阀门，阀门自带行程开关，单片机可根据开关的闭合情况来判断阀门状态。


3 系统的软件设计
    中心基站加电成功后，首先对GSM模块进行初始化。等GSM通信建立后，中心会对每个终端的状态及身份卡存在情况进行查询，并发一条短信到主人的手机上，使用户确认系统工作正常。如果单片机和GSM模块间的通信出现异常，单片机控制Q2使MC52I重新上电。具体的软件设计流程如图5所示。

    在设计身份卡软件时，应将降低卡片的功耗作为设计的重点。在单片机加电初始化时，对睡眠时间、功耗模式和唤醒方式等参数进行读取，然后进入休眠模式。当单片机定时唤醒后，会把自身的ID、电池和按键状态通过ZigBee网络发送出去。身份卡设计主程序流程图如图6所示。

4 调试及使用情况说明
    本系统的运行状态可分为自动和手动两种方式。主人可通过手机发送相应的中文短信对状态进行切换。当系统工作在"自动"状态时，中心基站会根据身份卡的存在情况，进行布防或撤防。当出现身份卡遗落在家中的情况时，主人可通过手机短信把系统切换到"手动"状态。
    当系统进入设防状态时，中心基站会把状态值通过ZigBee无线网络传送给每个终端设备。此时，家中的供水总阀门将自动关闭，红外、烟雾及煤气检测终端会切换到"设防"状态。一旦出现有人非法闯入或出现异常情况时，中心基站会把报警信息以GSM手机短信的形式发送到主人的手机上。当系统撤防后，中心基站会控制终端把家中的供水阀门打开；关闭红外报警电源；烟雾及煤气检测终端转换到本地报警状态。另外，主人手机也可通过短信来控制空调及家电的开启和关闭，主人发出的所有的短信命令，系统会把执行结果回复到命令手机上。

5 结语
    基于身份卡识别技术的智能家居系统，从一开始的设计方向就定位在现场应用上。而且，充分考虑了家居设备在美观性、便利性、可靠性及个性化等方面的特殊要求。选用了成熟稳定的探测器产品，大大减少二次开发的周期。从软件和硬件两方面入手，对ZigBee身份卡的体积、外观、功耗及数据准确性等方面进行设计，达到了预期效果。通过笔者一年多的使用情况来看，系统运行稳定可靠，完全满足应用及推广条件。