摘要：利用ZigBee的低速率、低功耗、低成本等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作了滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的身份識(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭內(nèi)部ZigBee設(shè)備的監(jiān)控和管理。闡述了基于身份識(shí)別技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的整體方案，并給出了詳細(xì)的軟硬件實(shí)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(jià)值及應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；MC52I；無(wú)線組網(wǎng)；身份識(shí)別技術(shù)

0 引言
    隨著電子技術(shù)特別是無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)通信技術(shù)的功耗、可靠性及靈活性的要求越來(lái)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(diǎn)的ZigBee技術(shù)，越來(lái)越引起人們的關(guān)注，非常適合家庭這種短距離無(wú)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(shì)，為人們提供了一個(gè)機(jī)動(dòng)、靈活、可靠的遠(yuǎn)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(guò)一年多的實(shí)際應(yīng)用，收到了令人滿意的效果。為倡導(dǎo)的“技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室”的發(fā)展思路，起到很好的推動(dòng)和示范作用。特別是本系統(tǒng)采用的身份識(shí)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(xì)的設(shè)計(jì)方案及軟硬件設(shè)計(jì)。

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(jì)。該系統(tǒng)主要由中心控制器、紅外檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、煤氣檢測(cè)、供水控制、空調(diào)控制、電器控制終端及身份識(shí)別卡組成。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

    系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備采用CC2530無(wú)線單片機(jī)作為主控芯片。中心基站除負(fù)責(zé)完成GSM網(wǎng)絡(luò)通信外，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將紅外檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、煤氣檢測(cè)、供水控制、空調(diào)控制、電器控制終端及身份識(shí)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(diǎn)：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(chǎng)使用帶來(lái)許多不便。但采用身份識(shí)別技術(shù)后，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，中心基站會(huì)自動(dòng)識(shí)別用戶的身份，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)防狀態(tài)進(jìn)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(jì)了“報(bào)警”按鈕，一旦出現(xiàn)緊急情況，只要按壓該按鍵，主人的手機(jī)將會(huì)收到緊急呼叫的信息，這也是本系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)。
    系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：一是保證中心基站和GSM網(wǎng)絡(luò)、終端設(shè)備及身份識(shí)別卡之間通信的準(zhǔn)確性和可靠性。二是出現(xiàn)報(bào)警信息后必須準(zhǔn)確、及時(shí)的發(fā)送到用戶手機(jī)上。三是身份卡的低功耗設(shè)計(jì)和低電量報(bào)警功能等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 中心基站的硬件設(shè)計(jì)
    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(diǎn)。MC52I包括了MC35I，MC39I，TC35I的所有功能，通信采用標(biāo)準(zhǔn)RS 232雙向接口，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令，并可自適應(yīng)1．8 V和3 V的SIM卡。在單片機(jī)和MC52I通信時(shí)，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(shí)別卡的硬件設(shè)計(jì)
    身份識(shí)別卡使用超小型鋰電池供電，采用miniUSB口充電，并設(shè)計(jì)專(zhuān)用的充放電保護(hù)電路。電池的電壓檢測(cè)采用電阻分壓的形式，利用單片機(jī)的A／D端口進(jìn)行判斷，電池電壓一旦低于設(shè)定閾值，單片機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則把該報(bào)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(jī)作為主控芯片，數(shù)據(jù)傳輸方式采用UDP格式。單片機(jī)工作在低功耗模式下，每隔2 s單片機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。這樣大大降低了身份卡的功耗。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，用320 mA／3．7 V的鋰電池充滿電后，身份卡可工作6個(gè)月左右。另外，因?yàn)樯矸菘ㄐ桦S身攜帶，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要從卡片的體積、強(qiáng)度及防護(hù)等多方面考慮。身份卡的單片機(jī)部分原理圖如圖4所示。

2．3 其他終端的硬件設(shè)計(jì)
    為了提高各個(gè)檢測(cè)終端的可靠性及美觀性，紅外、煙霧及煤氣檢測(cè)終端的探頭使用現(xiàn)有市場(chǎng)的成熟產(chǎn)品，并把ZigBee控制板安裝于探頭內(nèi)。CC2530負(fù)責(zé)檢測(cè)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(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，并對(duì)動(dòng)作情況進(jìn)行檢測(cè)，把狀態(tài)反饋給中心基站。供水控制終端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用家用電動(dòng)閥門(mén)，閥門(mén)自帶行程開(kāi)關(guān)，單片機(jī)可根據(jù)開(kāi)關(guān)的閉合情況來(lái)判斷閥門(mén)狀態(tài)。

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

    在設(shè)計(jì)身份卡軟件時(shí)，應(yīng)將降低卡片的功耗作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在單片機(jī)加電初始化時(shí)，對(duì)睡眠時(shí)間、功耗模式和喚醒方式等參數(shù)進(jìn)行讀取，然后進(jìn)入休眠模式。當(dāng)單片機(jī)定時(shí)喚醒后，會(huì)把自身的ID、電池和按鍵狀態(tài)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。身份卡設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖6所示。

4 調(diào)試及使用情況說(shuō)明
    本系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。主人可通過(guò)手機(jī)發(fā)送相應(yīng)的中文短信對(duì)狀態(tài)進(jìn)行切換。當(dāng)系統(tǒng)工作在“自動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，中心基站會(huì)根據(jù)身份卡的存在情況，進(jìn)行布防或撤防。當(dāng)出現(xiàn)身份卡遺落在家中的情況時(shí)，主人可通過(guò)手機(jī)短信把系統(tǒng)切換到“手動(dòng)”狀態(tài)。
    當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)防狀態(tài)時(shí)，中心基站會(huì)把狀態(tài)值通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給每個(gè)終端設(shè)備。此時(shí)，家中的供水總閥門(mén)將自動(dòng)關(guān)閉，紅外、煙霧及煤氣檢測(cè)終端會(huì)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(shí)，中心基站會(huì)把報(bào)警信息以GSM手機(jī)短信的形式發(fā)送到主人的手機(jī)上。當(dāng)系統(tǒng)撤防后，中心基站會(huì)控制終端把家中的供水閥門(mén)打開(kāi)；關(guān)閉紅外報(bào)警電源；煙霧及煤氣檢測(cè)終端轉(zhuǎn)換到本地報(bào)警狀態(tài)。另外，主人手機(jī)也可通過(guò)短信來(lái)控制空調(diào)及家電的開(kāi)啟和關(guān)閉，主人發(fā)出的所有的短信命令，系統(tǒng)會(huì)把執(zhí)行結(jié)果回復(fù)到命令手機(jī)上。

5 結(jié)語(yǔ)
    基于身份卡識(shí)別技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，從一開(kāi)始的設(shè)計(jì)方向就定位在現(xiàn)場(chǎng)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(gè)性化等方面的特殊要求。選用了成熟穩(wěn)定的探測(cè)器產(chǎn)品，大大減少二次開(kāi)發(fā)的周期。從軟件和硬件兩方面入手，對(duì)ZigBee身份卡的體積、外觀、功耗及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期效果。通過(guò)筆者一年多的使用情況來(lái)看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全滿足應(yīng)用及推廣條件。