0 引言

　　隨著電子技術特別是無線通信技術的快速發展，人們對通信技術的功耗、可靠性及靈活性的要求越來越高。作為一種具有低功耗、低成本、數據傳輸可靠及組網靈活等特點的ZigBee技術，越來越引起人們的關注，非常適合家庭這種短距離無線組網的使用。而作為現有成熟的GSM(Global System for Mobile Communication)技術，因其在網絡資源，傳輸特性及數據可靠性等方面的優勢，為人們提供了一個機動、靈活、可靠的遠距離傳輸方式。本文介紹了一種基于這兩種技術相結合的控制方案，并安裝于筆者的家庭中，經過一年多的實際應用，收到了令人滿意的效果。為倡導的“技術走出實驗室”的發展思路，起到很好的推動和示范作用。特別是本系統采用的身份識別技術，為系統的成熟應用提供了有力的保障。下面給出系統詳細的設計方案及軟硬件設計。

　　1 系統的總體方案

　　本著盡量減少安裝布線的原則，并充分考慮到系統的靈活性和便利性，所有設備采用模塊化設計。該系統主要由中心控制器、紅外檢測、煙霧檢測、煤氣檢測、供水控制、空調控制、電器控制終端及身份識別卡組成。系統整體設計方案如圖1所示。

　　系統內所有設備采用CC2530無線單片機作為主控芯片。中心基站除負責完成GSM網絡通信外，通過ZigBee無線網絡將紅外檢測、煙霧檢測、煤氣檢測、供水控制、空調控制、電器控制終端及身份識別卡等終端整合在一起，構成一套功能完善的智能家居系統。

　　系統的創新點：現有的智能家居系統的設防和撤防方式，多采用遙控的形式，給用戶的現場使用帶來許多不便。但采用身份識別技術后，系統在運行時，中心基站會自動識別用戶的身份，對系統的設防狀態進行切換，極大的方便了用戶的使用。另外，在用戶的身份卡上設計了“報警”按鈕，一旦出現緊急情況，只要按壓該按鍵，主人的手機將會收到緊急呼叫的信息，這也是本系統的一大亮點。

　　系統的設計要點：一是保證中心基站和GSM網絡、終端設備及身份識別卡之間通信的準確性和可靠性。二是出現報警信息后必須準確、及時的發送到用戶手機上。三是身份卡的低功耗設計和低電量報警功能等。

　　2 系統的硬件設計

　　2.1 中心基站的硬件設計

　　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。MC52I包括了MC35I，MC39I，TC35I的所有功能，通信采用標準RS 232雙向接口，支持標準的AT指令，并可自適應1.8 V和3 V的SIM卡。在單片機和MC52I通信時，可不用MAX232等電平轉換芯片，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 身份識別卡的硬件設計

　　身份識別卡使用超小型鋰電池供電，采用miniUSB口充電，并設計專用的充放電保護電路。電池的電壓檢測采用電阻分壓的形式，利用單片機的A/D端口進行判斷，電池電壓一旦低于設定閾值，單片機在發送數據時，則把該報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單片機作為主控芯片，數據傳輸方式采用UDP格式。單片機工作在低功耗模式下，每隔2 s單片機發送一次數據，然后進入休眠狀態。這樣大大降低了身份卡的功耗。從現場測試的結果來看，用320 mA/3.7 V的鋰電池充滿電后，身份卡可工作6個月左右。另外，因為身份卡需隨身攜帶，所以在設計時要從卡片的體積、強度及防護等多方面考慮。身份卡的單片機部分原理圖如圖4所示。

　　2.3 其他終端的硬件設計

　　為了提高各個檢測終端的可靠性及美觀性，紅外、煙霧及煤氣檢測終端的探頭使用現有市場的成熟產品，并把ZigBee控制板安裝于探頭內。CC2530負責檢測探頭的I/O變化，把數據傳輸給中心基站。空調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，驅動相應的繼電器動作，并對動作情況進行檢測，把狀態反饋給中心基站。供水控制終端的執行機構采用家用電動閥門，閥門自帶行程開關，單片機可根據開關的閉合情況來判斷閥門狀態。

　　3 系統的軟件設計

　　中心基站加電成功后，首先對GSM模塊進行初始化。等GSM通信建立后，中心會對每個終端的狀態及身份卡存在情況進行查詢，并發一條短信到主人的手機上，使用戶確認系統工作正常。如果單片機和GSM模塊間的通信出現異常，單片機控制Q2使MC52I重新上電。具體的軟件設計流程如圖5所示。

　　在設計身份卡軟件時，應將降低卡片的功耗作為設計的重點。在單片機加電初始化時，對睡眠時間、功耗模式和喚醒方式等參數進行讀取，然后進入休眠模式。當單片機定時喚醒后，會把自身的ID、電池和按鍵狀態通過ZigBee網絡發送出去。身份卡設計主程序流程圖如圖6所示。

　　4 調試及使用情況說明

　　本系統的運行狀態可分為自動和手動兩種方式。主人可通過手機發送相應的中文短信對狀態進行切換。當系統工作在“自動”狀態時，中心基站會根據身份卡的存在情況，進行布防或撤防。當出現身份卡遺落在家中的情況時，主人可通過手機短信把系統切換到“手動”狀態。

　　當系統進入設防狀態時，中心基站會把狀態值通過ZigBee無線網絡傳送給每個終端設備。此時，家中的供水總閥門將自動關閉，紅外、煙霧及煤氣檢測終端會切換到“設防”狀態。一旦出現有人非法闖入或出現異常情況時，中心基站會把報警信息以GSM手機短信的形式發送到主人的手機上。當系統撤防后，中心基站會控制終端把家中的供水閥門打開;關閉紅外報警電源;煙霧及煤氣檢測終端轉換到本地報警狀態。另外，主人手機也可通過短信來控制空調及家電的開啟和關閉，主人發出的所有的短信命令，系統會把執行結果回復到命令手機上。

　　5 結語

　　基于身份卡識別技術的智能家居系統，從一開始的設計方向就定位在現場應用上。而且，充分考慮了家居設備在美觀性、便利性、可靠性及個性化等方面的特殊要求。選用了成熟穩定的探測器產品，大大減少二次開發的周期。從軟件和硬件兩方面入手，對ZigBee身份卡的體積、外觀、功耗及數據準確性等方面進行設計，達到了預期效果。通過筆者一年多的使用情況來看，系統運行穩定可靠，完全滿足應用及推廣條件。