基于RFID/ZigBee的智慧家居控制系统的研究

　　0 引言

　　随着社会的进步，经济的发展，人们的生活质量日渐提高，生活节奏不断变快，这使得人们的生活和工作也逐渐趋向信息化，人们迫切需求一个集成了自动化和智能化的家用电器、网络化的信息资源，具有高度安全、便捷、舒适的生活环境。因此，新一代高效、便捷、智能的家居设计理念应时而生，智能家居设备已成为消费者的一种强烈的消费需求。一般家居智能化系统的设计是，将先进的网络通信技术与PC机相结合，使家居生活中的各个子系统通过某一特定的网络有机有序地结合在一起，然后再进行统一的科学管理。相比传统的家居住宅，智能化的家居住宅除了能够满足人们的居住需求外，还能为人们提供高品位的、舒适安全的、宜人的家庭生活空间，同时能够为家庭内部提供全方位的信息交换，使其能够与外界进行良好的沟通与信息交流，从而提高家居环境的安全性，并且人们通过手机等移动设备可实现对家居内部电器设备的远程控制，进而对这些设备进行合理有效的安排利用，达到降低能耗的目的。

　　1 设备管理系统总体结构

　　基于RFID/ZigBee的智慧家居远程控制系统分为智能家居设备网络、网关以及监控终端三部分，结构如图1。

　　智能家居设备网络是基于ZigBee的无线传感网络，实现数据的采集、传输以及决策的执行。监控终端是以网络服务器为核心的终端系统，服务器通过Internet与网关相连，监测和控制家居设备的运行状况，将监测数据存入数据库，并通过数据库存储的设备信息制定合理的控制决策[1]。网关负责收发来自家居设备网络和Internet网络连接的控制终端的信息流，通过协议转换实现两种不同网络之间的通信。网络服务器通过判断采集信息的类型及含义，从而决定信息发送的方向。当需要家居设备进行某种工作时，可以通过无线传感网络进行及时处理或者向控制终端发出变动信息。控制终端设计了直观的控制界面，可以供用户及时了解设备的运行情况，从而制定合理的决策信息;同时，用户也可以通过终端访问服务器来预约使用智能家居设备。按照数据的传输流程，设备管理系统的软件结构可以分为4个层次：数据采集、数据传输、数据存储和数据访问。

　　2 各模块功能实现

　　系统各模块的具体功能如下：

　　(1)智能家居设备网络实现数据采集及决策执行

　　家居设备网络是基于ZigBee2007协议的无线传感网络，通过配置每个设备上的终端节点，实现电流、电压、温度、身份信息的采集以及动作执行等功能，其硬件电路由微控制器CC2530、A/D转换、RFID接收器MFRC522及抗干扰电路等组成，结构如图2。

　　CC2530内嵌增强型8051CPU，结合了领先的RF收发器的优良性能，内置8 KB RAM、8通道12位A/D转换器、睡眠定时器等功能，以非常低的总材料成本就能建立强大的网络节点。MFRC522是非接触式读卡器模块，具有高度集成的调制解调电路，采用少量外部器件，即可将输出驱动级接至天线，确保数据传输的准确性和可靠性，并且简化了PCB设计。终端节点以CC2530为核心，通过温度传感器、电流传感器、电压传感器采集设备运行参数，并转换为微控制器可以处理的数字信号;通过RFID接收器采集设备使用者的身份信息，再由CC2530对这些数据进行处理并通过射频电路转换成无线电波发送。同时，根据监控终端决策信息，通过开关量输出作用于设备的开启或者关闭。

　　(2)网关实现数据传输

　　网关放置在WiFi信号覆盖区域，每个无线传感网络只有一个网关，用来连接ZigBee网络和Internet网络。其硬件结构包括：微处理器MSP430F149、ZigBee芯片CC2530、WiFi模块MT-MW-08S等，结构如图3。

　　MSP430F149拥有16位RISC架构，可以实现125 ns的高速运算能力;通过3个振荡器切换工作，可以实现5种功耗模式[2];此外还有大量寄存器以及内部丰富的功能模块，弥补了无线模块在数据处理方面的不足。ZigBee作为智慧家居家用设备网络的协调器节点，实现网络的组织、管理等功能。WiFi模块采用透明串口传输模式，无需采用AT指令，通过网页设置串口波特率、网络传输类型、本地以及远端端口号等参数，即可与Internet连接，大大减少了网关协议转换自身的工作量。SD卡用来缓存数据，避免数据传输不同步或者出现掉电等故障时造成数据丢失。

　　(3)监控终端实现数据存储和访问以及决策制定

　　网络服务器是基于Web的数据管理和应用子系统，是在ASP.NET平台下用C#语言编写的Windows服务程序，位于远程监控决策端。网络服务器的设计主要包括前台界面、后台数据库以及与网关的通信。

　　采用动态网页技术编写前台界面程序，可以实现B/S模式下浏览器动态访问数据库信息、前台对数据库操作以及超过设定值报警等功能。在SQL Server2000下设计数据库，采用ADO.NET技术连接，支持断开连接访问数据库，大大减轻了服务器端的负荷。通过SQL语句对数据库进行操作，实现设备信息的实时显示、监测、增删等功能。采用Socket套接字，通过C/S模式与网关进行数据传输，实现了对不同地点设备的管理，增强和扩大了管理设备的能力和范围[3]。

　　在信息准确、实时采集的基础上，网络服务器对数据进一步加工，生成图形、报表、曲线等直观性内容供用户参考，以便用户做出更准确、更快速的决策。同时减少了技术人员在数据采集、处理、维护等活动上的时间和工作量，可以大大提高人们的工作效率以及生活质量。

　　3 系统软件设计

　　(1)身份识别子程序

　　用于身份识别的射频识别系统包括信息采集、信息处理和信息存储及反馈。

　　信息采集通过设备终端上的RFID接收器实现。每个设备使用者都有一张与其身份唯一对应的射频识别卡。接收器发出特定频率的无线电波，当卡片向接收器靠近到一定距离时，凭借感应电流驱动卡片，通过寻卡、防冲撞、验证密码，最后发送出存储在芯片中的信息[4]。

　　信息处理和信息存储及反馈由Web服务器完成。服务器对RFID原始数据进行解析，提取有意义的业务逻辑信息(设备地址和唯一身份编号)，通过查询数据库预约信息验证使用者身份。验证成功则返回相应的控制设备开启命令并进行计时，同时将此次使用记录存入数据库。否则，发出警告。

　　(2)数据中转子程序

　　网关通过网络协议转换实现数据中转。协议转换分为两部分：①ZigBee协议到TCP协议的转换。微处理器将ZigBee网络的数据进行解析，提取有效信息，WiFi模块内嵌无线网络协议和TCP/IP协议，将解析后的信息重新封装成IP数据包，经编码调制成射频信号发送至Internet网络[5]。②TCP协议到ZigBee协议的转换。IP数据包发往智慧家居设备网络时也要进行相应的转换。

　　数据接收采用MSP430中断方式，巧妙利用了UART0、UART1的接收中断向量优先级，即UART0>UART1。当两个串口的接收中断同时发生时，优先执行UART0接收中断。这样，智慧家居设备可以在第一时间响应用户终端的命令。注意，MSP430默认的是关闭中断嵌套的，需要在中断程序中再次开启总中断EINT，否则即使中断优先级更高的事件到来，系统也不会响应。MSP430工作流程如图4。

　　(3)信息管理子程序

　　信息管理采用三层体系架构：表示层、业务逻辑层和数据访问层。

　　表示层即前台人机交互界面，位于客户端，包括用户界面，主要用来完成命令输入、设备运行参数显示以及设备预约使用记录查询等功能。服务器进行客户身份验证通过后，把信息转换成一定的格式传给监控终端，监控终端提取该信息并以网页的形式显示。业务逻辑层接收客户的连接请求并对其身份进行验证，如果合法就处理客户的请求事件，执行逻辑判断或者数据库操作，最后生成的结果再返回给客户端网络。同时提供服务器的安全维护，抵抗非法网络入侵。数据层位于数据库服务器端，包含数据处理逻辑，接受网络服务器对数据库操作的请求，实现对数据库的查询、修改、更新等功能，再把运行结果交给网络服务器[6]。服务器结构如图5。

　　4 智慧家居设备网络的自组织、自愈合

　　ZigBee联盟在802.15.4标准之上重新定义了无线传感网络，其结构体系至上而下依次为应用层、网络层(NWK)、媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY)。其中NWK层是ZigBee网络的核心，强大的网络层协议确保了ZigBee网络的自组织和自愈合功能。

　　通过ZigBee的网络自组织功能可以建立智慧家居设备网络。协调器通过能量检测(ED)扫描选择一个合适的信道进行通信，并建立一个新的PAN标识(ZigBee协议使用一个16位的个域网络标识符PAN ID来标识一个网络)，选定协调器网络地址后即可启动新PAN。路由节点和终端节点通过被动扫描方式尝试关联操作，根据信道扫描结果选择合适的协调器进行关联。协调器判断PAN当前的资源情况，并在特定周期内做出决定，包括设备关联、分配短地址、删除该设备信息等。采用分布式网络地址分配机制，为每个设备动态分配一个在该网络中唯一的16 bit网络地址，用来实现设备辨识、数据传输、数据包路由等功能[7]。

　　通过ZigBee网络自愈合功能可以识别设备的加入、离开、移动以及实现网络的修复。协调器定时向网络中广播Hello信标帧，通过各个节点返回确认帧来辨识网络中设备的数量以及使用状况，并将网络结构变化以及节点工作情况及时向监控终端反映，服务器通过自识别判断操作是否合法，从而制定相应的决策，如更新数据库信息或者发出报警等。当网络中某条链路故障导致设备与监控终端无法正常通信时，上行设备启动路由修复功能，为该设备寻找一条新的路径进行数据传输。

　　ZigBee网络的自组织、自愈合功能确保了数据传输的稳定性和快速性，整个过程由网络原语实现，无需人工干预。关键网络原语有：NLME-SCAN.request、NLME-SET.request、NLME-ASSOCIATE.request。ZigBee网络数据处理流程如图6。

　　5 实验结果

　　系统在本校实验室进行测试，构造了20个终端节点的小型智慧家居设备网络，各节点分别置于20台不同的设备上，并且在容易造成网络盲区的地方配置10个路由节点。终端节点定时发送数据给相应的路由节点，发送完成便进入休眠状态。数据通过路由节点传送到网关WiFi模块，WiFi模块再将数据发送至Web服务器。

　　实验结果表明：(1)用户可以在任意连接Internet网络的PC机上访问Web服务器，查询设备的使用情况并进行预约，用户可以登录相应的界面监测设备运行情况，并通过发送命令控制设备的开启或关闭;(2)设置协调器节点连续向网关微处理器发送数据，当监控终端发送控制信息时，由于中断优先级高，所以仍然能够开启或者关闭设备;(3)设置数据采集时间间隔为10 s，此时数据传输有1~3 s的延时。如果增加实验设备数量或者增大数据采集频率，ZigBee网络数据流量增大，传输延时也会随之增加。如果撤掉关键位置的路由节点，会出现丢包现象。因此应该合理分布路由节点并在数据流量和网络延时之间寻找平衡点。

　　6 结论

　　本文给出了基于RFID/ZigBee的智慧家居设备管理系统的软硬件设计方法，介绍了ZigBee网络的自组织、自愈合功能。组建了网状拓扑结构的智慧家居设备网络，初步实现了对设备的远程开关机操作，并且通过Web服务器识别简单的数据类型，构建了集网络、控制、自动化于一体的智慧家居设备管理体系，对现代社会智慧家居设备开发管理具有一定的借鉴意义。