基于RFID/ZigBee的智慧家居控制系統的研究

李 瑞，趙曉軍，袁 穎，張紅北，王晨康，繩 丹

（河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002）

0 引言

隨著社會的進步，經濟的發展，人們的生活質量日漸提高，生活節奏不斷變快，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、網絡化的信息資源，具有高度安全、便捷、舒適的生活環境。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的設計是，將先進的網絡通信技術與PC機相結合，使家居生活中的各個子系統通過某一特定的網絡有機有序地結合在一起，然后再進行統一的科學管理。相比傳統的家居住宅，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，從而提高家居環境的安全性，并且人們通過手機等移動設備可實現對家居內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 設備管理系統總體結構

基于RFID/ZigBee的智慧家居遠程控制系統分為智能家居設備網絡、網關以及監控終端三部分，結構如圖1。

圖1 系統整體結構

智能家居設備網絡是基于ZigBee的無線傳感網絡，實現數據的采集、傳輸以及決策的執行。監控終端是以網絡服務器為核心的終端系統，服務器通過Internet與網關相連，監測和控制家居設備的運行狀況，將監測數據存入數據庫，并通過數據庫存儲的設備信息制定合理的控制決策[1]。網關負責收發來自家居設備網絡和Internet網絡連接的控制終端的信息流，通過協議轉換實現兩種不同網絡之間的通信。網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絡進行及時處理或者向控制終端發出變動信息?？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。按照數據的傳輸流程，設備管理系統的軟件結構可以分為4個層次：數據采集、數據傳輸、數據存儲和數據訪問。

2 各模塊功能實現

系統各模塊的具體功能如下：

（1）智能家居設備網絡實現數據采集及決策執行

家居設備網絡是基于ZigBee2007協議的無線傳感網絡，通過配置每個設備上的終端節點，實現電流、電壓、溫度、身份信息的采集以及動作執行等功能，其硬件電路由微控制器CC2530、A/D轉換、RFID接收器MFRC522及抗干擾電路等組成，結構如圖2。

圖2 終端節點結構

CC2530內嵌增強型8051CPU，結合了領先的RF收發器的優良性能，內置8 KB RAM、8通道12位A/D轉換器、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絡節點。MFRC522是非接觸式讀卡器模塊，具有高度集成的調制解調電路，采用少量外部器件，即可將輸出驅動級接至天線，確保數據傳輸的準確性和可靠性，并且簡化了PCB設計。終端節點以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，并轉換為微控制器可以處理的數字信號；通過RFID接收器采集設備使用者的身份信息，再由CC2530對這些數據進行處理并通過射頻電路轉換成無線電波發送。同時，根據監控終端決策信息，通過開關量輸出作用于設備的開啟或者關閉。

（2）網關實現數據傳輸

網關放置在WiFi信號覆蓋區域，每個無線傳感網絡只有一個網關，用來連接ZigBee網絡和Internet網絡。其硬件結構包括：微處理器MSP430F149、ZigBee芯片CC2530、WiFi模塊 MT-MW-08S等，結構如圖3。

圖3 網關節點結構

MSP430F149擁有16位RISC架構，可以實現125 ns的高速運算能力；通過3個振蕩器切換工作，可以實現5種功耗模式[2]；此外還有大量寄存器以及內部豐富的功能模塊，彌補了無線模塊在數據處理方面的不足。ZigBee作為智慧家居家用設備網絡的協調器節點，實現網絡的組織、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，通過網頁設置串口波特率、網絡傳輸類型、本地以及遠端端口號等參數，即可與Internet連接，大大減少了網關協議轉換自身的工作量。SD卡用來緩存數據，避免數據傳輸不同步或者出現掉電等故障時造成數據丟失。

（3）監控終端實現數據存儲和訪問以及決策制定

網絡服務器是基于Web的數據管理和應用子系統，是在ASP.NET平臺下用C#語言編寫的Windows服務程序，位于遠程監控決策端。網絡服務器的設計主要包括前臺界面、后臺數據庫以及與網關的通信。

采用動態網頁技術編寫前臺界面程序，可以實現B/S模式下瀏覽器動態訪問數據庫信息、前臺對數據庫操作以及超過設定值報警等功能。在SQL Server2000下設計數據庫，采用ADO.NET技術連接，支持斷開連接訪問數據庫，大大減輕了服務器端的負荷。通過SQL語句對數據庫進行操作，實現設備信息的實時顯示、監測、增刪等功能。采用Socket套接字，通過C/S模式與網關進行數據傳輸，實現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，網絡服務器對數據進一步加工，生成圖形、報表、曲線等直觀性內容供用戶參考，以便用戶做出更準確、更快速的決策。同時減少了技術人員在數據采集、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量。

3 系統軟件設計

（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。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，憑借感應電流驅動卡片，通過尋卡、防沖撞、驗證密碼，最后發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原始數據進行解析，提取有意義的業務邏輯信息（設備地址和唯一身份編號），通過查詢數據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據庫。否則，發出警告。

（2）數據中轉子程序

網關通過網絡協議轉換實現數據中轉。協議轉換分為兩部分：①ZigBee協議到TCP協議的轉換。微處理器將ZigBee網絡的數據進行解析，提取有效信息，WiFi模塊內嵌無線網絡協議和TCP/IP協議，將解析后的信息重新封裝成IP數據包，經編碼調制成射頻信號發送至Internet網絡[5]。②TCP協議到ZigBee協議的轉換。IP數據包發往智慧家居設備網絡時也要進行相應的轉換。

數據接收采用MSP430中斷方式，巧妙利用了UART0、UART1的接收中斷向量優先級，即 UART0＞UART1。當兩個串口的接收中斷同時發生時，優先執行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，否則即使中斷優先級更高的事件到來，系統也不會響應。MSP430工作流程如圖4。

圖4 MSP430工作流程

（3）信息管理子程序

信息管理采用三層體系架構：表示層、業務邏輯層和數據訪問層。

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，把信息轉換成一定的格式傳給監控終端，監控終端提取該信息并以網頁的形式顯示。業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，執行邏輯判斷或者數據庫操作，最后生成的結果再返回給客戶端網絡。同時提供服務器的安全維護，抵抗非法網絡入侵。數據層位于數據庫服務器端，包含數據處理邏輯，接受網絡服務器對數據庫操作的請求，實現對數據庫的查詢、修改、更新等功能，再把運行結果交給網絡服務器[6]。服務器結構如圖5。

圖5 Web服務器結構

4 智慧家居設備網絡的自組織、自愈合

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

通過ZigBee的網絡自組織功能可以建立智慧家居設備網絡。協調器通過能量檢測（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協議使用一個16位的個域網絡標識符PAN ID來標識一個網絡），選定協調器網絡地址后即可啟動新PAN。路由節點和終端節點通過被動掃描方式嘗試關聯操作，根據信道掃描結果選擇合適的協調器進行關聯。協調器判斷PAN當前的資源情況，并在特定周期內做出決定，包括設備關聯、分配短地址、刪除該設備信息等。采用分布式網絡地址分配機制，為每個設備動態分配一個在該網絡中唯一的16 bit網絡地址，用來實現設備辨識、數據傳輸、數據包路由等功能[7]。

通過ZigBee網絡自愈合功能可以識別設備的加入、離開、移動以及實現網絡的修復。協調器定時向網絡中廣播Hello信標幀，通過各個節點返回確認幀來辨識網絡中設備的數量以及使用狀況，并將網絡結構變化以及節點工作情況及時向監控終端反映，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，如更新數據庫信息或者發出報警等。當網絡中某條鏈路故障導致設備與監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據傳輸。

ZigBee網絡的自組織、自愈合功能確保了數據傳輸的穩定性和快速性，整個過程由網絡原語實現，無需人工干預。關鍵網絡原語有：NLME-SCAN.request、NLMESET.request、NLME-ASSOCIATE.request。 ZigBee 網絡 數據處理流程如圖6。

圖6 ZigBee網絡數據處理流程

5 實驗結果

系統在本校實驗室進行測試，構造了20個終端節點的小型智慧家居設備網絡，各節點分別置于20臺不同的設備上，并且在容易造成網絡盲區的地方配置10個路由節點。終端節點定時發送數據給相應的路由節點，發送完成便進入休眠狀態。數據通過路由節點傳送到網關WiFi模塊，WiFi模塊再將數據發送至Web服務器。

實驗結果表明：（1）用戶可以在任意連接 Internet網絡的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測設備運行情況，并通過發送命令控制設備的開啟或關閉；（2）設置協調器節點連續向網關微處理器發送數據，當監控終端發送控制信息時，由于中斷優先級高，所以仍然能夠開啟或者關閉設備；（3）設置數據采集時間間隔為10 s，此時數據傳輸有1～3 s的延時。如果增加實驗設備數量或者增大數據采集頻率，ZigBee網絡數據流量增大，傳輸延時也會隨之增加。如果撤掉關鍵位置的路由節點，會出現丟包現象。因此應該合理分布路由節點并在數據流量和網絡延時之間尋找平衡點。

6 結論

本文給出了基于RFID/ZigBee的智慧家居設備管理系統的軟硬件設計方法，介紹了ZigBee網絡的自組織、自愈合功能。組建了網狀拓撲結構的智慧家居設備網絡，初步實現了對設備的遠程開關機操作，并且通過Web服務器識別簡單的數據類型，構建了集網絡、控制、自動化于一體的智慧家居設備管理體系，對現代社會智慧家居設備開發管理具有一定的借鑒意義。

[1]蘇海霞.基于ARM9和CAN總線的遠程監控系統[J].計算機工程，2010，36（5）：231-233.

[2]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

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[7]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.