智能家居無線網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)

鄭 魏，李智敏，駱德漢

（1.佛山市順德區(qū)瑞德電子實業(yè)有限公司，廣東 佛山 528300；2.廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006）

智能家居無線網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)

鄭 魏1，李智敏2，駱德漢2

（1.佛山市順德區(qū)瑞德電子實業(yè)有限公司，廣東 佛山 528300；2.廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006）

隨著智能家居的飛速發(fā)展，實現(xiàn)對家電的無線網(wǎng)絡控制已成為信息家電發(fā)展的主流和趨勢，然而由于現(xiàn)今的物聯(lián)網(wǎng)家電網(wǎng)絡構(gòu)建成本高、功能操作復雜等原因，使其難以在中低收入群體中普及應用。介紹了一種基于CC1101無線模塊，通過433 MHz頻段搭建智能家庭無線網(wǎng)絡的方法，有效降低了家庭無線局域網(wǎng)的構(gòu)建難度與成本，其所用無線模塊具有體積小、成本低、功耗低、跨越障礙能力強等特點。實驗證明該設計具有較強的穩(wěn)定性和可靠性，為廉價智能家居的推廣與普及提供了可能。

433 MHz；智能家居；CC1101；無線網(wǎng)絡

1 家庭無線網(wǎng)絡

隨著社會的進步和人們生活水平的提高，人們對家居環(huán)境提出了更高的要求，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向。智能家居不僅能給用戶提供安全、健康和舒適的生活環(huán)境，而且用戶能夠遠程監(jiān)控家居狀態(tài)并控制家庭電器設備[1]。伴隨著嵌入式技術的興起和物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，智能家居的發(fā)展迎來了全新的機遇。

在智能家居系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡技術具有通信受環(huán)境影響小、構(gòu)建周期短、成本低、易于維護與擴展等特點，更符合智能家庭網(wǎng)絡的通信需求。無線連網(wǎng)技術最主要的優(yōu)勢在于方便快捷，由于不需要布線，則不受布線條件的限制，這樣更有利于將傳統(tǒng)的非智能家庭改造為智能家庭。當前常用的無線通信技術有藍牙、紅外、WiFi、GPRS、ZigBee等[1]，其關鍵性能對比如表1所示。它們各有所長，各自適用于不同場合。同樣與之對應的無線收發(fā)芯片也有許多，本文介紹一種用CC1101無線模塊搭建的智能家庭無線網(wǎng)絡方案，該網(wǎng)絡應用433 MHz頻段進行無線數(shù)據(jù)傳輸，其無線模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、成本低、跨越障礙能力強等特點[2]，有效降低了智能家庭網(wǎng)絡的構(gòu)建難度，是家庭內(nèi)部組網(wǎng)的理想選擇，為廉價智能家居的推廣與普及提供了可能。

表1 常用無線通信關鍵性能對比

2 系統(tǒng)工作原理

在智能家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)中由于家居環(huán)境的特性，數(shù)據(jù)與指令的傳輸都在室內(nèi)進行，所選無線通信技術需具有較強的跨障礙能力。常用無線通信技術有紅外、藍牙、WiFi、GPRS、ZigBee等，由表1綜合各參數(shù)對比可知433 MHz頻段無線通信具有其優(yōu)越性，在我國433 MHz頻段是免申請即可使用的發(fā)射接收的頻段，并且具有收發(fā)一體、功耗低、跨越障礙能力強等特點，并支持點對點和一點對多點的數(shù)據(jù)傳輸[3]，由于家電信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單，433 MHz頻段高達256 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率完全可以滿足智能家庭無線局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，故433 MHz無線通信是構(gòu)建無線智能家庭網(wǎng)絡的理想選擇。

本文介紹的智能家庭無線網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)智能家庭無線網(wǎng)絡的特點，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以便增添或減少某款家電，其符合日常生活中家用電器不確定性更換的特性需求。無線網(wǎng)絡以智能網(wǎng)關為中心，與各智能家電一同構(gòu)建家庭內(nèi)部局域網(wǎng)，其中智能網(wǎng)關搭載主無線模塊作為主設備，各家電搭載從無線模塊作為子設備，家電數(shù)據(jù)信息與網(wǎng)關的控制指令經(jīng)無線模塊實現(xiàn)信息交互，無線網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)按照定義好的家電無線通信協(xié)議進行傳輸，從而實現(xiàn)對智能家庭內(nèi)部智能家電的網(wǎng)絡化集中控制與管理。

圖1 智能家居無線局域網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設計

智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件主要包括無線通信模塊、智能家電設備和智能網(wǎng)關三部分。無線通信模塊設計為通用的模塊和接口，以實現(xiàn)智能家電和智能網(wǎng)關的無縫連接，做到硬件上的“即插即用”[4]，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

3.1 無線模塊硬件設計

無線模塊主要由意法半導體公司的STM8S103單片機和德州儀器的CC1101無線收發(fā)器構(gòu)成，采用SPI通信方式，模塊外部設計通用SPI接口，用于連接網(wǎng)關或家電設備，內(nèi)部STM8S103單片機通過SPI與CC1101進行數(shù)據(jù)傳輸。由于STM8S103只有一個硬件SPI接口，故無線模塊內(nèi)部采用普通I/O口軟件模擬SPI通信，單片機內(nèi)部自帶的高速SPI通信接口則用于與網(wǎng)關或者家電的MCU進行通信。STM8S103是意法半導體公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗8位單片機，其采用高級STM8內(nèi)核，具有三級流水線哈佛結(jié)構(gòu)；內(nèi)部具備用戶可調(diào)的16 MHz CPU時鐘；強大的I/O功能，擁有分立時鐘源的獨立看門狗和高度集成內(nèi)部時鐘振蕩器，看門狗和復位電路具有極高的性價比[5]。CC1101是德州儀器推出的一款1 GHz以下的低成本和極低功耗無線收發(fā)器。該收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，支持0.6～500 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，提供對同步字檢測、地址校驗、靈活的數(shù)據(jù)包長度以及自動CRC處理的支持，最高可設置為10 dBm的發(fā)射功率，工作電壓范圍為1.9～3.6 V，待機模式下電流僅為200 nA，基于CC1101無線模塊框架圖如圖2所示。

圖2 無線通信模塊框架圖

本文設計的基于CC1101的無線模塊主要有如下特點：

1）工作于433 MHz頻段，較強的抗干擾性能，誤碼率低；

2）較強的越障能力，室內(nèi)的可靠傳輸距離可達到30 m左右；

3）低功耗，工作電壓為2.2～3.8 V，待機電流為0.3 μA；

4）采用SPI通信，設計傳輸速率為110 kbit/s；

5）結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

3.2 智能網(wǎng)關硬件設計

智能網(wǎng)關作為主設備是整個無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的控制中心，具有關鍵作用，主要負責各家電子設備上發(fā)的數(shù)據(jù)信息處理和家電控制指令的發(fā)送。主要通過SPI接口與無線模塊進行通信，同時通過串口UASRT與上位機進行信息交互。圖3為無線智能網(wǎng)關通信連接硬件結(jié)構(gòu)框圖。

3.3 智能家電硬件設計

圖3 無線智能網(wǎng)關通信結(jié)構(gòu)框圖

智能家電作為子設備終端實時地采集當前家電的狀態(tài)信息[6]，通過無線通信模塊接收無線智能網(wǎng)關的控制指令并反饋自己當前的狀態(tài)信息，當家電設備收到網(wǎng)關的全局廣播控制指令后，通過提取其中的目的地址判斷是否為有效信息，若有效則進行相應的數(shù)據(jù)處理，若無效則舍棄當前數(shù)據(jù)，家電子設備通信結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 家電子設備通信結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 家電無線通信協(xié)議

在無線射頻通信中，由于無線信道的干擾較大，處理器即使沒有發(fā)送數(shù)據(jù)或指令，無線模塊也會隨機地發(fā)送一些無效數(shù)據(jù)，為保證整個家庭無線局域網(wǎng)內(nèi)家電數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃裕孕枰远x家電無線通信協(xié)議[6]，以規(guī)范局域網(wǎng)家電無線數(shù)據(jù)的傳輸，提高系統(tǒng)的抗干擾和傳輸性能。在家庭無線網(wǎng)絡中，家電的數(shù)據(jù)信息與指令以數(shù)據(jù)包的形式進行傳輸，其數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖5所示，數(shù)據(jù)流向字段為兩個字節(jié)，用0xF0F0代表網(wǎng)關主設備到家電子設備的數(shù)據(jù)傳輸，0x0F0F代表家電子設備到網(wǎng)關主設備的數(shù)據(jù)傳輸；長度字段則為整個數(shù)據(jù)包的字節(jié)大小；控制字段則為相關的控制指令；數(shù)據(jù)字段則包含子設備家電的具體信息，包含發(fā)送數(shù)據(jù)的源地址、目標地址和家電信息段等，其中家電信息段為各家電子設備的具體狀態(tài)信息，如產(chǎn)品類型、制造廠商、產(chǎn)品型號、產(chǎn)品ID、私有和通用功能等，其編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如6所示；校驗段為數(shù)據(jù)流向字段到數(shù)據(jù)字段的異或，以減少數(shù)據(jù)的誤碼率；確認字段0x2121是數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的標志。

4.2 網(wǎng)關主設備軟件設計

圖5 家電傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

圖6 家電信息數(shù)據(jù)編碼

網(wǎng)關主設備的軟件設計是系統(tǒng)的關鍵所在，為能及時獲取上位機和家電子設備的數(shù)據(jù)信息，其軟件工作為中斷模式。主設備的程序流程如圖7所示，程序主要分為系統(tǒng)初始化程序、串口USART處理程序和SPI處理程序。初始化程序主要對系統(tǒng)時鐘、定時器、串口USART和SPI模塊等外設進行初始化。采用串口中斷方式實時接收上位機下發(fā)的數(shù)據(jù)指令，串口USART中斷處理程序負責對下發(fā)的數(shù)據(jù)指令進行處理；采用SPI中斷方式接收子設備家電上發(fā)的狀態(tài)信息，SPI處理程序負責對上發(fā)的數(shù)據(jù)信息進行處理。協(xié)商設定同上位機的串口傳輸速率為112 500 bit/s；設定定時器，每隔100 ms通過串口發(fā)送1次數(shù)據(jù)。

圖7 主設備程序流程圖

4.3 家電子設備軟件設計

家電子設備負責實時采集當前家電狀態(tài)，若當前家電狀態(tài)有改變則將新的狀態(tài)信息上發(fā)給網(wǎng)關，若收到主設備網(wǎng)關下發(fā)的控制指令則根據(jù)其具體信息改變家電當前狀態(tài)。子設備的程序流程如圖8所示，程序主要包含初始化程序、SPI處理程序和家電狀態(tài)查詢程序[6]。初始化程序主要對系統(tǒng)時鐘、定時器和SPI模塊進行初始化，采用SPI中斷方式接收網(wǎng)關下發(fā)的控制指令，SPI處理程序負責處理網(wǎng)關下發(fā)的控制指令。定時器設定每隔60 ms查詢1次當前家電狀態(tài)，若有變化則上發(fā)給主設備網(wǎng)關。

圖8 子設備程序流程圖

5 實驗測試

為進一步驗證本系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，按照圖1搭建智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，在PC機上打開串口調(diào)試工具，設置串口的波特率為112 500 bit/s，然后模擬上位機發(fā)送一組控制指令，如圖9所示。設置其100 ms周期性發(fā)送，然后讀取接收遠程家電子設備通過無線網(wǎng)絡傳送的狀態(tài)信息，讓系統(tǒng)持續(xù)工作以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，實驗測試可知該系統(tǒng)具有較快的響應速度和較強的穩(wěn)定性，能夠滿足智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)的需求。

6 小結(jié)

圖9 系統(tǒng)傳輸性能測試圖（截圖）

本文討論了應用CC1101無線模塊搭建智能家居無線網(wǎng)絡的方法，實驗證明其具有較強的穩(wěn)定性和可靠性，所用無線模塊具有跨越障礙能力強、體積小、功耗低、成本低等特點，為廉價、安全可靠、智能快速的智能家居系統(tǒng)的推廣提供了可能，具有良好的市場前景和推廣價值[2]。

[1] DAI Qingyun，BAO Hong，LIU Yihong，et al.433 MHz wireless network technology for wireless manufacturing[C]//Proc.FGCN'08.[S.l.]：IEEE Press，2008：393-397.

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Design and Implementation of Wireless Network in Smart Home

ZHENG Wei1，LI Zhimin2，LUO Dehan2
（1.Real-design Electronics Co.，Ltd.，Guangdong Foshan 528300，China；2.School of Infornation Engineering,Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

With the rapid development of the smart home system，building a wireless network has become the mainstream and trends in smart home system.However，the high cost and complex functional operation makes it difficult to popularize in low-income groups.This paper introduces a method to build a wireless network in smart home system based on CC1101 wireless modules which transmit by 433 MHz frequency bands.Experiments prove its strong stability and reliability.The wireless modules are perfect suitable for the smart home industry with small size package，low consumption，low cost，strong ability to leap obstacles and other characteristics.

433 MHz；smart home；CC1101；wireless network

TN919

B

【本文獻信息】鄭魏，李智敏，駱德漢.智能家居無線網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)[J].電視技術，2013，37（21）.

鄭 魏（1980—），碩士，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)家電；李智敏（1989—），碩士生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及其智能控制；駱德漢（1958—），教授、博士生導師，主要研究方向為為嵌入式控制系統(tǒng)及仿生嗅覺等。

時 雯

2013-03-16