基于433無(wú)線收發(fā)模塊的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

涂 亮，段紅光

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)和信息家電已越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中，而這一切發(fā)展的最終目標(biāo)都是給人類提供一個(gè)舒適、便捷、高效的生活環(huán)境。如何建立一個(gè)高效率、低成本的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)已成為當(dāng)今世界的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)際上許多大公司提出了相應(yīng)的解決方案，但迄今為止，這一領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，各國(guó)正努力研制適合于本國(guó)國(guó)情的智能家居系統(tǒng)[1-2]。本文提出了一種適合中國(guó)國(guó)情的智能家居系統(tǒng)的解決方案。

433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊為短距離無(wú)線通信模塊，在智能家居系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)傳感器與終端的信息傳遞。由于該模塊的成本極低、睡眠模式不到1 μA的電流消耗、綠色環(huán)保小尺寸封裝和極少的外圍部件等特點(diǎn)，勢(shì)必在智能家居系統(tǒng)中被廣泛使用。目前中國(guó)移動(dòng)推出的物聯(lián)網(wǎng)宜居通產(chǎn)品中，在TD/GSM無(wú)線移動(dòng)座機(jī)中增加433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊，完成與傳感器的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)安防報(bào)警和家電遠(yuǎn)程控制功能。

本文使用433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊，設(shè)計(jì)了一套智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含安防報(bào)警和家電遠(yuǎn)程控制兩個(gè)子系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 安防報(bào)警子系統(tǒng)

此系統(tǒng)在無(wú)線移動(dòng)座機(jī)的基礎(chǔ)上集成了“防火、防盜、防煤氣、老人緊急醫(yī)療求助、防劫持”的報(bào)警功能，可以對(duì)接“防盜探測(cè)器、火警探測(cè)器、煤氣探測(cè)器、醫(yī)療求救按鈕”等無(wú)線探測(cè)器及遙控器。當(dāng)探測(cè)器感應(yīng)到報(bào)警信號(hào)時(shí)，無(wú)線移動(dòng)座機(jī)會(huì)自動(dòng)按照用戶設(shè)定的接警電話號(hào)碼，分別以短信方式和語(yǔ)音方式及時(shí)通知用戶。

1.2 家電遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)

通過(guò)短信指令或Web控制，該子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)家電遠(yuǎn)程控制。例如：下班路上，只要發(fā)一條簡(jiǎn)單的短信指令，家中的空調(diào)就會(huì)提前開(kāi)啟，深夜回家前發(fā)條短信，浴缸就能自動(dòng)放好洗澡水；甚至只要發(fā)條指令給電飯煲，當(dāng)你踏進(jìn)家門時(shí)，三菜一湯已經(jīng)做好。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)用433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備與終端之間的數(shù)據(jù)交互，本文研究了433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊選擇Sili?con Labs公司推出的SI1015無(wú)線收發(fā)芯片。其中對(duì)于433 MHz的FSK收發(fā)器件，SI1015芯片內(nèi)部集成了單片機(jī)和射頻收發(fā)器；外圍器件較少以及超低的功耗，比較適合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)外圍傳感器/家電主控制板監(jiān)測(cè)到有消息發(fā)出時(shí)，將消息信息和類別傳給設(shè)備端的433模塊，433模塊將信息通過(guò)天線發(fā)出。終端的433模塊收到射頻消息，傳送給終端基帶芯片，基帶芯片解析并進(jìn)行相應(yīng)處理，將結(jié)果返回終端433模塊，433模塊收到后將信息發(fā)出。這是雙方通信的一個(gè)基本流程，由此可見(jiàn)，433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊完成了外圍設(shè)備和終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)安防告警和家電控制的功能，此系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案目的是實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備、終端和平臺(tái)間的互聯(lián)互通，流程如圖2所示。

3.1 安防報(bào)警433模塊軟件設(shè)計(jì)

安防報(bào)警系統(tǒng)的傳感設(shè)備主要包含的產(chǎn)品有“門磁、遙控器、紅外探測(cè)器、氣體探測(cè)器和煙氣感應(yīng)探測(cè)器”，主要目標(biāo)是完成防火、防盜、防煤氣、老人緊急醫(yī)療求助、防劫持等報(bào)警功能。

由于安防產(chǎn)品的長(zhǎng)時(shí)間使用，且只有觸發(fā)告警時(shí)，才發(fā)出告警信息，此種單向傳輸、數(shù)據(jù)量小的要求。SI1015芯片睡眠模式不到1 μA的超低待機(jī)功耗，保證安防產(chǎn)品一節(jié)電池可以工作2～3年時(shí)間。

為滿足此要求，433模塊有兩個(gè)工作狀態(tài)，一個(gè)為睡眠模式，另一個(gè)為工作模式。在睡眠模式下，SI1015芯片處于睡眠狀態(tài)，定時(shí)喚醒發(fā)出心跳消息告知終端傳感器在位，并打開(kāi)中斷喚醒功能。在工作模式下，SI1015根據(jù)喚醒原因發(fā)出不同的射頻消息，其軟件流程圖如圖3所示。

圖3 安防433模塊軟件流程圖

3.2 家電433模塊軟件設(shè)計(jì)

由于433模塊的功耗對(duì)于家電來(lái)講影響微乎其微，因此家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并沒(méi)用考慮433模塊的省電，讓該模塊長(zhǎng)期處于接收狀態(tài)和故障查詢狀態(tài)。當(dāng)空調(diào)發(fā)生故障時(shí)，由主控制芯片將故障原因按照規(guī)定的協(xié)議組裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送給433模塊，433模塊將數(shù)據(jù)發(fā)出。當(dāng)433模塊收到家電控制信息時(shí)，將此消息傳給主控制芯片，由主控制芯片解析數(shù)據(jù)并處理控制命令，然后將狀態(tài)反饋給433模塊，433模塊最終將反饋消息發(fā)出。其具體的軟件流程如圖4所示。

圖4 安防433模塊軟件流程圖

3.3 終端433模塊軟件設(shè)計(jì)

相反，對(duì)于終端而言，433模塊功耗將直接影響到終端電池使用時(shí)間，必須降低433模塊功耗以滿足終端需求。鑒于此，本軟件設(shè)計(jì)既要睡眠也要保證能接收到數(shù)據(jù)包。為此，雙方通信MAC層格式規(guī)定前導(dǎo)碼發(fā)送48 byte，然后是同步字節(jié)和有效數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)傳輸率為19.2 kbit/s，可計(jì)算出前導(dǎo)碼所需時(shí)間為20 ms。這樣，只需保證433模塊睡眠時(shí)間小于20 ms，當(dāng)檢測(cè)到有效前導(dǎo)碼時(shí)，繼續(xù)將數(shù)據(jù)收完解析并處理；否則進(jìn)入睡眠模式。

其具體的軟件流程如圖5所示。該軟件設(shè)計(jì)需使用狀態(tài)機(jī)，主要有3個(gè)狀態(tài)：接收，發(fā)送和基帶控制。當(dāng)處于接收時(shí)，SI1015完成對(duì)RF數(shù)據(jù)的監(jiān)控，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，將其接收完并將狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)送；否則睡眠，并定時(shí)喚醒。當(dāng)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，SI1015將消息發(fā)送給基帶芯片，由基帶完成對(duì)消息的解析以及和平臺(tái)的交互工作，狀態(tài)變?yōu)榻邮?，進(jìn)入睡眠。當(dāng)終端收到平臺(tái)的家電控制命令時(shí)，終端主動(dòng)發(fā)出中斷喚醒SI1015，此時(shí)SI1015在中斷服務(wù)程序中將狀態(tài)機(jī)變?yōu)榛鶐Э刂?，在此狀態(tài)下，SI1015完成接收基帶發(fā)出的消息，并將消息通過(guò)天線發(fā)出，最后將狀態(tài)變?yōu)榻邮?，進(jìn)入睡眠。

4 小結(jié)

智能家居是人們追求高品質(zhì)生活的體現(xiàn)，勢(shì)必掀起一場(chǎng)人們生活習(xí)慣的變革。而433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊非常適合于低功耗、低速率的監(jiān)視、傳感網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)利用433 MHz無(wú)線收發(fā)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)成本低廉、準(zhǔn)確有效、安全可靠、快速的智能家居系統(tǒng)提供了可能。

圖5 終端433模塊軟件流程圖

[1]苗國(guó)耀,程輝.智能家居安防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（11）：55.

[2]施軍,黃衛(wèi)東.物聯(lián)網(wǎng)打造智能家居[J].中國(guó)電信業(yè)，2010（12）：70-71.