基于RFID/ZigBee的智慧家居控制系統(tǒng)的研究

　　0 引言

　　隨著社會的進步，經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量日漸提高，生活節(jié)奏不斷變快，這使得人們的生活和工作也逐漸趨向信息化，人們迫切需求一個集成了自動化和智能化的家用電器、網(wǎng)絡化的信息資源，具有高度安全、便捷、舒適的生活環(huán)境。因此，新一代高效、便捷、智能的家居設計理念應時而生，智能家居設備已成為消費者的一種強烈的消費需求。一般家居智能化系統(tǒng)的設計是，將先進的網(wǎng)絡通信技術(shù)與PC機相結(jié)合，使家居生活中的各個子系統(tǒng)通過某一特定的網(wǎng)絡有機有序地結(jié)合在一起，然后再進行統(tǒng)一的科學管理。相比傳統(tǒng)的家居住宅，智能化的家居住宅除了能夠滿足人們的居住需求外，還能為人們提供高品位的、舒適安全的、宜人的家庭生活空間，同時能夠為家庭內(nèi)部提供全方位的信息交換，使其能夠與外界進行良好的溝通與信息交流，從而提高家居環(huán)境的安全性，并且人們通過手機等移動設備可實現(xiàn)對家居內(nèi)部電器設備的遠程控制，進而對這些設備進行合理有效的安排利用，達到降低能耗的目的。

　　1 設備管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　基于RFID/ZigBee的智慧家居遠程控制系統(tǒng)分為智能家居設備網(wǎng)絡、網(wǎng)關(guān)以及監(jiān)控終端三部分，結(jié)構(gòu)如圖1。

　　智能家居設備網(wǎng)絡是基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及決策的執(zhí)行。監(jiān)控終端是以網(wǎng)絡服務器為核心的終端系統(tǒng)，服務器通過Internet與網(wǎng)關(guān)相連，監(jiān)測和控制家居設備的運行狀況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)庫存儲的設備信息制定合理的控制決策[1]。網(wǎng)關(guān)負責收發(fā)來自家居設備網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡連接的控制終端的信息流，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)兩種不同網(wǎng)絡之間的通信。網(wǎng)絡服務器通過判斷采集信息的類型及含義，從而決定信息發(fā)送的方向。當需要家居設備進行某種工作時，可以通過無線傳感網(wǎng)絡進行及時處理或者向控制終端發(fā)出變動信息?？刂平K端設計了直觀的控制界面，可以供用戶及時了解設備的運行情況，從而制定合理的決策信息;同時，用戶也可以通過終端訪問服務器來預約使用智能家居設備。按照數(shù)據(jù)的傳輸流程，設備管理系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可以分為4個層次：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)訪問。

　　2 各模塊功能實現(xiàn)

　　系統(tǒng)各模塊的具體功能如下：

　　(1)智能家居設備網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及決策執(zhí)行

　　家居設備網(wǎng)絡是基于ZigBee2007協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡，通過配置每個設備上的終端節(jié)點，實現(xiàn)電流、電壓、溫度、身份信息的采集以及動作執(zhí)行等功能，其硬件電路由微控制器CC2530、A/D轉(zhuǎn)換、RFID接收器MFRC522及抗干擾電路等組成，結(jié)構(gòu)如圖2。

　　CC2530內(nèi)嵌增強型8051CPU，結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，內(nèi)置8 KB RAM、8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、睡眠定時器等功能，以非常低的總材料成本就能建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。MFRC522是非接觸式讀卡器模塊，具有高度集成的調(diào)制解調(diào)電路，采用少量外部器件，即可將輸出驅(qū)動級接至天線，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性，并且簡化了PCB設計。終端節(jié)點以CC2530為核心，通過溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器采集設備運行參數(shù)，并轉(zhuǎn)換為微控制器可以處理的數(shù)字信號;通過RFID接收器采集設備使用者的身份信息，再由CC2530對這些數(shù)據(jù)進行處理并通過射頻電路轉(zhuǎn)換成無線電波發(fā)送。同時，根據(jù)監(jiān)控終端決策信息，通過開關(guān)量輸出作用于設備的開啟或者關(guān)閉。

　　(2)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

　　網(wǎng)關(guān)放置在WiFi信號覆蓋區(qū)域，每個無線傳感網(wǎng)絡只有一個網(wǎng)關(guān)，用來連接ZigBee網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡。其硬件結(jié)構(gòu)包括：微處理器MSP430F149、ZigBee芯片CC2530、WiFi模塊MT-MW-08S等，結(jié)構(gòu)如圖3。

　　MSP430F149擁有16位RISC架構(gòu)，可以實現(xiàn)125 ns的高速運算能力;通過3個振蕩器切換工作，可以實現(xiàn)5種功耗模式[2];此外還有大量寄存器以及內(nèi)部豐富的功能模塊，彌補了無線模塊在數(shù)據(jù)處理方面的不足。ZigBee作為智慧家居家用設備網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡的組織、管理等功能。WiFi模塊采用透明串口傳輸模式，無需采用AT指令，通過網(wǎng)頁設置串口波特率、網(wǎng)絡傳輸類型、本地以及遠端端口號等參數(shù)，即可與Internet連接，大大減少了網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換自身的工作量。SD卡用來緩存數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)傳輸不同步或者出現(xiàn)掉電等故障時造成數(shù)據(jù)丟失。

　　(3)監(jiān)控終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和訪問以及決策制定

　　網(wǎng)絡服務器是基于Web的數(shù)據(jù)管理和應用子系統(tǒng)，是在ASP.NET平臺下用C#語言編寫的Windows服務程序，位于遠程監(jiān)控決策端。網(wǎng)絡服務器的設計主要包括前臺界面、后臺數(shù)據(jù)庫以及與網(wǎng)關(guān)的通信。

　　采用動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)編寫前臺界面程序，可以實現(xiàn)B/S模式下瀏覽器動態(tài)訪問數(shù)據(jù)庫信息、前臺對數(shù)據(jù)庫操作以及超過設定值報警等功能。在SQL Server2000下設計數(shù)據(jù)庫，采用ADO.NET技術(shù)連接，支持斷開連接訪問數(shù)據(jù)庫，大大減輕了服務器端的負荷。通過SQL語句對數(shù)據(jù)庫進行操作，實現(xiàn)設備信息的實時顯示、監(jiān)測、增刪等功能。采用Socket套接字，通過C/S模式與網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了對不同地點設備的管理，增強和擴大了管理設備的能力和范圍[3]。

　　在信息準確、實時采集的基礎上，網(wǎng)絡服務器對數(shù)據(jù)進一步加工，生成圖形、報表、曲線等直觀性內(nèi)容供用戶參考，以便用戶做出更準確、更快速的決策。同時減少了技術(shù)人員在數(shù)據(jù)采集、處理、維護等活動上的時間和工作量，可以大大提高人們的工作效率以及生活質(zhì)量。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　(1)身份識別子程序

　　用于身份識別的射頻識別系統(tǒng)包括信息采集、信息處理和信息存儲及反饋。

　　信息采集通過設備終端上的RFID接收器實現(xiàn)。每個設備使用者都有一張與其身份唯一對應的射頻識別卡。接收器發(fā)出特定頻率的無線電波，當卡片向接收器靠近到一定距離時，憑借感應電流驅(qū)動卡片，通過尋卡、防沖撞、驗證密碼，最后發(fā)送出存儲在芯片中的信息[4]。

　　信息處理和信息存儲及反饋由Web服務器完成。服務器對RFID原始數(shù)據(jù)進行解析，提取有意義的業(yè)務邏輯信息(設備地址和唯一身份編號)，通過查詢數(shù)據(jù)庫預約信息驗證使用者身份。驗證成功則返回相應的控制設備開啟命令并進行計時，同時將此次使用記錄存入數(shù)據(jù)庫。否則，發(fā)出警告。

　　(2)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)子程序

　　網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。協(xié)議轉(zhuǎn)換分為兩部分：①ZigBee協(xié)議到TCP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。微處理器將ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行解析，提取有效信息，WiFi模塊內(nèi)嵌無線網(wǎng)絡協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，將解析后的信息重新封裝成IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)編碼調(diào)制成射頻信號發(fā)送至Internet網(wǎng)絡[5]。②TCP協(xié)議到ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換。IP數(shù)據(jù)包發(fā)往智慧家居設備網(wǎng)絡時也要進行相應的轉(zhuǎn)換。

　　數(shù)據(jù)接收采用MSP430中斷方式，巧妙利用了UART0、UART1的接收中斷向量優(yōu)先級，即UART0>UART1。當兩個串口的接收中斷同時發(fā)生時，優(yōu)先執(zhí)行UART0接收中斷。這樣，智慧家居設備可以在第一時間響應用戶終端的命令。注意，MSP430默認的是關(guān)閉中斷嵌套的，需要在中斷程序中再次開啟總中斷EINT，否則即使中斷優(yōu)先級更高的事件到來，系統(tǒng)也不會響應。MSP430工作流程如圖4。

　　(3)信息管理子程序

　　信息管理采用三層體系架構(gòu)：表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。

　　表示層即前臺人機交互界面，位于客戶端，包括用戶界面，主要用來完成命令輸入、設備運行參數(shù)顯示以及設備預約使用記錄查詢等功能。服務器進行客戶身份驗證通過后，把信息轉(zhuǎn)換成一定的格式傳給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端提取該信息并以網(wǎng)頁的形式顯示。業(yè)務邏輯層接收客戶的連接請求并對其身份進行驗證，如果合法就處理客戶的請求事件，執(zhí)行邏輯判斷或者數(shù)據(jù)庫操作，最后生成的結(jié)果再返回給客戶端網(wǎng)絡。同時提供服務器的安全維護，抵抗非法網(wǎng)絡入侵。數(shù)據(jù)層位于數(shù)據(jù)庫服務器端，包含數(shù)據(jù)處理邏輯，接受網(wǎng)絡服務器對數(shù)據(jù)庫操作的請求，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢、修改、更新等功能，再把運行結(jié)果交給網(wǎng)絡服務器[6]。服務器結(jié)構(gòu)如圖5。

　　4 智慧家居設備網(wǎng)絡的自組織、自愈合

　　ZigBee聯(lián)盟在802.15.4標準之上重新定義了無線傳感網(wǎng)絡，其結(jié)構(gòu)體系至上而下依次為應用層、網(wǎng)絡層(NWK)、媒體訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)。其中NWK層是ZigBee網(wǎng)絡的核心，強大的網(wǎng)絡層協(xié)議確保了ZigBee網(wǎng)絡的自組織和自愈合功能。

　　通過ZigBee的網(wǎng)絡自組織功能可以建立智慧家居設備網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器通過能量檢測(ED)掃描選擇一個合適的信道進行通信，并建立一個新的PAN標識(ZigBee協(xié)議使用一個16位的個域網(wǎng)絡標識符PAN ID來標識一個網(wǎng)絡)，選定協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡地址后即可啟動新PAN。路由節(jié)點和終端節(jié)點通過被動掃描方式嘗試關(guān)聯(lián)操作，根據(jù)信道掃描結(jié)果選擇合適的協(xié)調(diào)器進行關(guān)聯(lián)。協(xié)調(diào)器判斷PAN當前的資源情況，并在特定周期內(nèi)做出決定，包括設備關(guān)聯(lián)、分配短地址、刪除該設備信息等。采用分布式網(wǎng)絡地址分配機制，為每個設備動態(tài)分配一個在該網(wǎng)絡中唯一的16 bit網(wǎng)絡地址，用來實現(xiàn)設備辨識、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)包路由等功能[7]。

　　通過ZigBee網(wǎng)絡自愈合功能可以識別設備的加入、離開、移動以及實現(xiàn)網(wǎng)絡的修復。協(xié)調(diào)器定時向網(wǎng)絡中廣播Hello信標幀，通過各個節(jié)點返回確認幀來辨識網(wǎng)絡中設備的數(shù)量以及使用狀況，并將網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變化以及節(jié)點工作情況及時向監(jiān)控終端反映，服務器通過自識別判斷操作是否合法，從而制定相應的決策，如更新數(shù)據(jù)庫信息或者發(fā)出報警等。當網(wǎng)絡中某條鏈路故障導致設備與監(jiān)控終端無法正常通信時，上行設備啟動路由修復功能，為該設備尋找一條新的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。

　　ZigBee網(wǎng)絡的自組織、自愈合功能確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和快速性，整個過程由網(wǎng)絡原語實現(xiàn)，無需人工干預。關(guān)鍵網(wǎng)絡原語有：NLME-SCAN.request、NLME-SET.request、NLME-ASSOCIATE.request。ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理流程如圖6。

　　5 實驗結(jié)果

　　系統(tǒng)在本校實驗室進行測試，構(gòu)造了20個終端節(jié)點的小型智慧家居設備網(wǎng)絡，各節(jié)點分別置于20臺不同的設備上，并且在容易造成網(wǎng)絡盲區(qū)的地方配置10個路由節(jié)點。終端節(jié)點定時發(fā)送數(shù)據(jù)給相應的路由節(jié)點，發(fā)送完成便進入休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點傳送到網(wǎng)關(guān)WiFi模塊，WiFi模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送至Web服務器。

　　實驗結(jié)果表明：(1)用戶可以在任意連接Internet網(wǎng)絡的PC機上訪問Web服務器，查詢設備的使用情況并進行預約，用戶可以登錄相應的界面監(jiān)測設備運行情況，并通過發(fā)送命令控制設備的開啟或關(guān)閉;(2)設置協(xié)調(diào)器節(jié)點連續(xù)向網(wǎng)關(guān)微處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，當監(jiān)控終端發(fā)送控制信息時，由于中斷優(yōu)先級高，所以仍然能夠開啟或者關(guān)閉設備;(3)設置數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 s，此時數(shù)據(jù)傳輸有1~3 s的延時。如果增加實驗設備數(shù)量或者增大數(shù)據(jù)采集頻率，ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量增大，傳輸延時也會隨之增加。如果撤掉關(guān)鍵位置的路由節(jié)點，會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。因此應該合理分布路由節(jié)點并在數(shù)據(jù)流量和網(wǎng)絡延時之間尋找平衡點。

　　6 結(jié)論

　　本文給出了基于RFID/ZigBee的智慧家居設備管理系統(tǒng)的軟硬件設計方法，介紹了ZigBee網(wǎng)絡的自組織、自愈合功能。組建了網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的智慧家居設備網(wǎng)絡，初步實現(xiàn)了對設備的遠程開關(guān)機操作，并且通過Web服務器識別簡單的數(shù)據(jù)類型，構(gòu)建了集網(wǎng)絡、控制、自動化于一體的智慧家居設備管理體系，對現(xiàn)代社會智慧家居設備開發(fā)管理具有一定的借鑒意義。