《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 業(yè)界動態(tài) > 基于RFID/ZigBee的智慧家居控制系統(tǒng)的研究

基于RFID/ZigBee的智慧家居控制系統(tǒng)的研究

2016-02-20
作者: 李 瑞,趙曉軍,袁 穎,張紅北,王晨康,繩 丹
來源:2015年微型機(jī)與應(yīng)用第19期

  摘  要: 本設(shè)計通過對一款智能窗的整體設(shè)計來說明ZigBee組網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用,這款智能窗集成雨雪天氣檢測、煤氣泄漏檢測、防盜報警、紅外遙控等功能,這些功能都是通過不同傳感器檢測實現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點集成到整個設(shè)計的以MSP430F149為核心的控制部分,協(xié)調(diào)器上的CC2530通過串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至MSP430F149,它將對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷,從而通過步進(jìn)電機(jī)對智能窗做出相應(yīng)的控制。同時MSP430F149通過WiFi模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送至Web服務(wù)器,并在終端設(shè)備上顯示,以實現(xiàn)對家庭各種信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。用戶通過PC機(jī)、智能手機(jī)、平板或其他手持設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問Web服務(wù)器,通過HTTP協(xié)議獲取智能窗反饋的家庭內(nèi)部環(huán)境信息。

  關(guān)鍵詞RFID;ZigBee;Web服務(wù)器;網(wǎng)關(guān);遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

  隨著社會的進(jìn)步,經(jīng)濟(jì)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(luò)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(shè)計理念應(yīng)時而生,智能家居設(shè)備已成為消費者的一種強(qiáng)烈的消費需求。一般家居智能化系統(tǒng)的設(shè)計是,將先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與PC機(jī)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(luò)有機(jī)有序地結(jié)合在一起,然后再進(jìn)行統(tǒng)一的科學(xué)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(jìn)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(jī)等移動設(shè)備可實現(xiàn)對家居內(nèi)部電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,進(jìn)而對這些設(shè)備進(jìn)行合理有效的安排利用,達(dá)到降低能耗的目的。

1 設(shè)備管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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

001.jpg

  智能家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò),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(luò)服務(wù)器為核心的終端系統(tǒng),服務(wù)器通過Internet與網(wǎng)關(guān)相連,監(jiān)測和控制家居設(shè)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(shè)備信息制定合理的控制決策[1]。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)收發(fā)來自家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)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(luò)之間的通信。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(dāng)需要家居設(shè)備進(jìn)行某種工作時,可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時處理或者向控制終端發(fā)出變動信息??刂平K端設(shè)計了直觀的控制界面,可以供用戶及時了解設(shè)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(wù)器來預(yù)約使用智能家居設(shè)備。按照數(shù)據(jù)的傳輸流程,設(shè)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:

 ?。?)智能家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及決策執(zhí)行

  家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee2007協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò),通過配置每個設(shè)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。

002.jpg

  CC2530內(nèi)嵌增強(qiáng)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)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?zhǔn)確性和可靠性,并且簡化了PCB設(shè)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(shè)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(shè)備使用者的身份信息,再由CC2530對這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)備的開啟或者關(guān)閉。

 ?。?)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(luò)只有一個網(wǎng)關(guān),用來連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)。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。

003.jpg

  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(bǔ)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shè)置串口波特率、網(wǎng)絡(luò)傳輸類型、本地以及遠(yuǎn)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。

 ?。?)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(luò)服務(wù)器是基于Web的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用子系統(tǒng),是在ASP.NET平臺下用C#語言編寫的Windows服務(wù)程序,位于遠(yuǎn)程監(jiān)控決策端。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)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(shè)定值報警等功能。在SQL Server2000下設(shè)計數(shù)據(jù)庫,采用ADO.NET技術(shù)連接,支持?jǐn)嚅_連接訪問數(shù)據(jù)庫,大大減輕了服務(wù)器端的負(fù)荷。通過SQL語句對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作,實現(xiàn)設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)了對不同地點設(shè)備的管理,增強(qiáng)和擴(kuò)大了管理設(shè)備的能力和范圍[3]。

  在信息準(zhǔn)確、實時采集的基礎(chǔ)上,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)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(hù)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(shè)計

 ?。?)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(shè)備終端上的RFID接收器實現(xiàn)。每個設(shè)備使用者都有一張與其身份唯一對應(yīng)的射頻識別卡。接收器發(fā)出特定頻率的無線電波,當(dāng)卡片向接收器靠近到一定距離時,憑借感應(yīng)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(wù)器完成。服務(wù)器對RFID原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,提取有意義的業(yè)務(wù)邏輯信息(設(shè)備地址和唯一身份編號),通過查詢數(shù)據(jù)庫預(yù)約信息驗證使用者身份。驗證成功則返回相應(yīng)的控制設(shè)備開啟命令并進(jìn)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。

 ?。?)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)子程序

  網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,提取有效信息,WiFi模塊內(nèi)嵌無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)[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(shè)備網(wǎng)絡(luò)時也要進(jìn)行相應(yīng)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(dāng)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(shè)備可以在第一時間響應(yīng)用戶終端的命令。注意,MSP430默認(rèn)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(yīng)。MSP430工作流程如圖4。

004.jpg

 ?。?)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(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。

  表示層即前臺人機(jī)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(shè)備運行參數(shù)顯示以及設(shè)備預(yù)約使用記錄查詢等功能。服務(wù)器進(jìn)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(wù)邏輯層接收客戶的連接請求并對其身份進(jìn)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(luò)。同時提供服務(wù)器的安全維護(hù),抵抗非法網(wǎng)絡(luò)入侵。數(shù)據(jù)層位于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端,包含數(shù)據(jù)處理邏輯,接受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(luò)服務(wù)器[6]。服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖5。

005.jpg

4 智慧家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈合

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

  通過ZigBee的網(wǎng)絡(luò)自組織功能可以建立智慧家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過能量檢測(ED)掃描選擇一個合適的信道進(jìn)行通信,并建立一個新的PAN標(biāo)識(ZigBee協(xié)議使用一個16位的個域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符PAN ID來標(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)),選定協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行關(guān)聯(lián)。協(xié)調(diào)器判斷PAN當(dāng)前的資源情況,并在特定周期內(nèi)做出決定,包括設(shè)備關(guān)聯(lián)、分配短地址、刪除該設(shè)備信息等。采用分布式網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制,為每個設(shè)備動態(tài)分配一個在該網(wǎng)絡(luò)中唯一的16 bit網(wǎng)絡(luò)地址,用來實現(xiàn)設(shè)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(luò)自愈合功能可以識別設(shè)備的加入、離開、移動以及實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)。協(xié)調(diào)器定時向網(wǎng)絡(luò)中廣播Hello信標(biāo)幀,通過各個節(jié)點返回確認(rèn)幀來辨識網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的數(shù)量以及使用狀況,并將網(wǎng)絡(luò)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(wù)器通過自識別判斷操作是否合法,從而制定相應(yīng)的決策,如更新數(shù)據(jù)庫信息或者發(fā)出報警等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某條鏈路故障導(dǎo)致設(shè)備與監(jiān)控終端無法正常通信時,上行設(shè)備啟動路由修復(fù)功能,為該設(shè)備尋找一條新的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

  ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(luò)原語實現(xiàn),無需人工干預(yù)。關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)原語有:NLME-SCAN.request、NLME-SET.request、NLME-ASSOCIATE.request。ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理流程如圖6。

006.jpg

5 實驗結(jié)果

  系統(tǒng)在本校實驗室進(jìn)行測試,構(gòu)造了20個終端節(jié)點的小型智慧家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò),各節(jié)點分別置于20臺不同的設(shè)備上,并且在容易造成網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的路由節(jié)點,發(fā)送完成便進(jìn)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(wù)器。

  實驗結(jié)果表明:(1)用戶可以在任意連接Internet網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)上訪問Web服務(wù)器,查詢設(shè)備的使用情況并進(jìn)行預(yù)約,用戶可以登錄相應(yīng)的界面監(jiān)測設(shè)備運行情況,并通過發(fā)送命令控制設(shè)備的開啟或關(guān)閉;(2)設(shè)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(dāng)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(shè)備;(3)設(shè)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(shè)備數(shù)量或者增大數(shù)據(jù)采集頻率,ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該合理分布路由節(jié)點并在數(shù)據(jù)流量和網(wǎng)絡(luò)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(shè)備管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法,介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈合功能。組建了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的智慧家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò),初步實現(xiàn)了對設(shè)備的遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)操作,并且通過Web服務(wù)器識別簡單的數(shù)據(jù)類型,構(gòu)建了集網(wǎng)絡(luò)、控制、自動化于一體的智慧家居設(shè)備管理體系,對現(xiàn)代社會智慧家居設(shè)備開發(fā)管理具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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

  [2] 魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

  [3] 樓正華.EPA功能塊互連技術(shù)及其實現(xiàn)方法[J].微計算機(jī)信息,2008,24(7):285-287.

  [4] AHUJA S, POTTI P. An introduction to RFID technology[J]. Communications and Network, 2010(2):183-186.

  [5] TUNG H Y, TSANG K F, TUNG H C. A WiFi-ZigBee building area network design of high traffics AMI for smart grid[J].Smart Grid and Renewable Energy,2012(3):324-333.

  [6] 杜根遠(yuǎn).基于B/S模式的Web三層應(yīng)用開發(fā)[J].河南城建高等??茖W(xué)校學(xué)報,2002,11(1):37-40.

  [7] 瞿雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.


本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。