基于RF的智能家居無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

姚長標(biāo)，王超，駱德漢，李智敏，高桂麗

（1.瑞德電子實(shí)業(yè)有限公司，佛山528300；2.廣東工業(yè)大學(xué)；3.三環(huán)知識(shí)產(chǎn)權(quán)深圳總部）

引 言

隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，人們對(duì)家居環(huán)境的舒適程度和智能化程度要求越來越高，享受物聯(lián)網(wǎng)智能家居生活已成為趨勢(shì)。早期的智能家居產(chǎn)品通過綜合布線等方式實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部各種電氣設(shè)備和電子系統(tǒng)的連接［1］，來達(dá)到對(duì)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)資源共享，對(duì)外部通過網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)進(jìn)行信息交換，但是有線組網(wǎng)受布線難、成本高和可重布置性差等因素的制約而淡出歷史舞臺(tái)。近幾年，無線網(wǎng)絡(luò)研究在全世界范圍內(nèi)興起，各種頻段的無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展，對(duì)無線智能家居網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。其中，RF、ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等短距離通信技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用。然而，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)仍是亟待解決的問題。

本文提出了一種基于433MHz的無線RF模塊，進(jìn)行智能家居內(nèi)部家電設(shè)備，組建無線通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案。433MHz的無線RF模塊以低成本、低功耗、較好的安全性、網(wǎng)絡(luò)容量大、穿透障礙物能力強(qiáng)等特點(diǎn)，成為組建智能家居網(wǎng)絡(luò)的首選。此設(shè)計(jì)在達(dá)到理想的智能家居功能效果的同時(shí)，能夠進(jìn)一步控制智能家居產(chǎn)品價(jià)格，使得更多人可以體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居給生活帶來的樂趣和便利。

1 無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為基于RF的智能家居無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)主要分為兩部分，即安裝在無線網(wǎng)關(guān)上的RF服務(wù)器和安裝在各家電設(shè)備上的RF終端設(shè)備。無線網(wǎng)關(guān)可以通過安裝在自身的WiFi模塊接收由平板電腦或者是智能手機(jī)下發(fā)的功能控制或狀態(tài)查詢命令編碼，再按照預(yù)先制定的RF協(xié)議把數(shù)據(jù)整合后傳遞給無線網(wǎng)關(guān)上的RF服務(wù)器，RF服務(wù)器提取出有用的數(shù)據(jù)字節(jié)后，再經(jīng)過重組整合并通過射頻模塊發(fā)送給無線通信網(wǎng)絡(luò)中的各家電設(shè)備上的RF終端設(shè)備［2］。

圖1 無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

為了方便平板電腦或智能手機(jī)能夠及時(shí)地從RF服務(wù)器中獲取當(dāng)前家電設(shè)備的狀態(tài)信息，RF服務(wù)器會(huì)不斷對(duì)各RF終端設(shè)備發(fā)送狀態(tài)查詢的廣播消息。各RF終端設(shè)備可以接收RF服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)中的產(chǎn)品編號(hào)來判斷是廣播消息還是具體控制某一家電設(shè)備的消息。若為控制某一具體家電設(shè)備的私有消息，各個(gè)家電設(shè)備上的RF終端設(shè)備通過判斷消息對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀中的產(chǎn)品編號(hào)是否與自己的編號(hào)一致，若一致則接收數(shù)據(jù)信息，并通過處理，最終傳遞給家電控制器執(zhí)行相應(yīng)操作；否則，不接收數(shù)據(jù)，不作任何處理。各RF終端設(shè)備也會(huì)及時(shí)地從相應(yīng)的家電設(shè)備控制器中獲取該家電設(shè)備的最新狀態(tài)信息，以便當(dāng)其接收到RF服務(wù)器的狀態(tài)查詢廣播消息時(shí)，能夠及時(shí)地反饋各家電設(shè)備的最新狀態(tài)。

2 無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

在智能家居無線通信網(wǎng)絡(luò)中，由于操控設(shè)備和各家電設(shè)備之間所有的控制指令和狀態(tài)信息的傳輸都是在室內(nèi)進(jìn)行，所以要求選用的無線通信技術(shù)要具有較強(qiáng)的穿越障礙物的能力［3］。常用短距離無線通信技術(shù)中的藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等模塊價(jià)格較高且都工作在2.4GHz的ISM頻段，穿越障礙物的能力受限，最終導(dǎo)致在控制精度和靈敏度上受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而無線RF技術(shù)模塊工作在433MHz的ISM頻段，穿越障礙物的能力比上述模塊效果好，且價(jià)格低廉、功耗低、傳輸速度快、信息實(shí)時(shí)性好，非常適合在智能家居中應(yīng)用。

本文提出一種基于433MHz的頻段射頻技術(shù)方案，需要設(shè)計(jì)相關(guān)的無線RF模塊，并用其搭建無線網(wǎng)關(guān)上RF服務(wù)器和家電設(shè)備上RF終端的硬件平臺(tái)，進(jìn)而組建智能家居內(nèi)部無線通信網(wǎng)絡(luò)。其中，RF服務(wù)器和RF終端設(shè)備的硬件資源完全相同，都是由所設(shè)計(jì)的無線RF模塊作為信息載體。

2.1 433MHz頻段無線RF模塊電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，無線RF模塊主要由PIC16F726單片機(jī)和高度集成的射頻芯片Si4421組成。

PIC16F726擁有高達(dá)16MHz的高精度內(nèi)部晶振、內(nèi)部8KB的FLASH和368B的RAM、2個(gè)8位定時(shí)器、1個(gè)16位的定時(shí)器和1個(gè)SPI同步串行口等，其具有低功耗、高速率、低成本和極高的性價(jià)比等特點(diǎn)，非常適合在無線小模塊中作為控制器來應(yīng)用。

圖2 無線RF模塊電路原理圖

Si4421是Silicon Laboratories公司的EZRadio系列芯片，是一顆全集成的單晶片低功耗、多頻道的FSM收發(fā)器，是具有彈性、低成本、高集成度，生產(chǎn)中無需統(tǒng)調(diào)的產(chǎn)品。它所需的RF功能都集成在一起，外部僅需要一個(gè)晶振和幾個(gè)退耦電容即可工作，在無須申請(qǐng)注冊(cè)的433MHz、868MHz、915MHz頻段的實(shí)際應(yīng)用完全符合FCC和ETSI的相關(guān)規(guī)定［4］。它的自動(dòng)頻率控制特性容許使用低精度晶振（低成本），使整個(gè)無線RF模塊的成本降到最低，全集成的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理特性也極大地降低了微處理器的控制負(fù)擔(dān)。

2.2 RF服務(wù)器和RF終端設(shè)備電路連接設(shè)計(jì)

如圖3所示，RF服務(wù)器（即無線網(wǎng)關(guān)上的無線RF模塊）與無線網(wǎng)關(guān)的主控芯片通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其中無線網(wǎng)關(guān)主控芯片的SPI接口的NSS引腳功能被釋放，使其變成普通的GPIO口。通過配置主控芯片的SPI寄存器來啟用軟件控制從設(shè)備管理，主控芯片SPI接口的NSS引腳在數(shù)據(jù)傳輸期間被內(nèi)部自動(dòng)置為高電平（即配置為SPI主模式），而NSS引腳（普通的GPIO）則可以通過配置GPIO相關(guān)寄存器拉低電平，來選擇無線RF模塊這樣的SPI從設(shè)備。

圖3 RF服務(wù)器電路連接圖

如圖4所示，RF終端設(shè)備（即家電子設(shè)備的無線RF模塊）也是通過SPI接口與家電設(shè)備的主控芯片進(jìn)行信息交互［5］。RF 終 端設(shè)備實(shí)時(shí)地采集傳感器的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，接收RF服務(wù)器下發(fā)的功能操控或狀態(tài)查詢指令編碼，并經(jīng)過整合重組后把家電功能控制信息傳遞給家電設(shè)備的主控器，使得家電執(zhí)行相應(yīng)的操作和狀態(tài)修定，同時(shí)也可以及時(shí)地把采集到的家電狀態(tài)信息反饋給RF服務(wù)器。

圖4 RF終端設(shè)備電路連接圖

3 無線RF通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為了保證無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)計(jì)了無線RF通信協(xié)議幀，如圖5所示。每一款家電的功能和狀態(tài)信息都會(huì)通過這種數(shù)據(jù)幀格式表達(dá)出來。該數(shù)據(jù)幀共由10字節(jié)組成，其中第1個(gè)和第2個(gè)字節(jié)分別固定為0x88和0xAA，它用來證明該數(shù)據(jù)幀是瑞德電子實(shí)業(yè)有限公司的家電信息數(shù)據(jù)，也只有通過這兩個(gè)字節(jié)的信息驗(yàn)證，RF服務(wù)器或RF終端設(shè)備才會(huì)接收并進(jìn)行相應(yīng)的處理，否則，會(huì)認(rèn)為不屬于有效數(shù)據(jù)而拋棄［6］。

圖5 無線RF通信協(xié)議幀

第3個(gè)字節(jié)代表家電產(chǎn)品的類型編號(hào)，例如0x01代表電磁爐，0x02代表壓力煲，0x03代表風(fēng)扇等。第4個(gè)字節(jié)是該數(shù)據(jù)幀格式中比較重要的組成部分，它又分成三部分，其中7～4位代表家電產(chǎn)品的具體個(gè)數(shù)；3～2位代表產(chǎn)品的消息體類型，決定了這一幀數(shù)據(jù)將要執(zhí)行的具體任務(wù)，包括“00”、“11”和“01”三種類型，其中“00”和“11”分別代表RF服務(wù)器對(duì)RF終端設(shè)備發(fā)送狀態(tài)查詢和動(dòng)作控制數(shù)據(jù)幀，“01”則代表RF終端設(shè)備在接收到RF服務(wù)器的狀態(tài)查詢數(shù)據(jù)幀后對(duì)其進(jìn)行家電最新狀態(tài)的信息反饋；1～0位代表產(chǎn)品要執(zhí)行的功能狀態(tài)，“00”代表不預(yù)約、不定時(shí)的工作，“01”代表預(yù)約，“11”代表定時(shí)。

第5個(gè)字節(jié)代表家電產(chǎn)品功能，例如若該數(shù)據(jù)幀代表的是電磁爐，那么0x01代表關(guān)機(jī)，0x02代表火力等。第6、7兩個(gè)字節(jié)要根據(jù)具體的家電的功能以及具體的控制要求來變化。第8、9兩個(gè)字節(jié)固定為0xFF。第10個(gè)字節(jié)是整個(gè)數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)的，是上述9個(gè)字節(jié)的數(shù)值進(jìn)行異或得到的，當(dāng)RF服務(wù)器或者是RF終端設(shè)備識(shí)別并接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)候，重新計(jì)算校驗(yàn)位的值并與數(shù)據(jù)幀原來第1個(gè)字節(jié)的值對(duì)比，若相同則證明數(shù)據(jù)幀有效，否則拋棄。它可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否由于某種原因而出現(xiàn)錯(cuò)誤。

4 無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 無線網(wǎng)關(guān)上的RF服務(wù)器軟件工作流程

為了能夠及時(shí)地捕捉到上端控制設(shè)備下發(fā)的操控或狀態(tài)查詢命令的數(shù)據(jù)幀，及時(shí)地把從家電設(shè)備上的RF終端設(shè)備上獲取的最新家電狀態(tài)信息傳遞給上端設(shè)備，RF服務(wù)器的軟件工作于終端，無線網(wǎng)關(guān)主控芯片與RF服務(wù)器之間SPI通信的比特率設(shè)置為70.312 5Kb／s［7］。已知本文所設(shè)計(jì)的組網(wǎng)家電共11款，即根據(jù)圖5的數(shù)據(jù)編碼格式，共計(jì)有11條對(duì)應(yīng)家電功能狀態(tài)的數(shù)據(jù)幀。按照正常的控制邏輯，上端設(shè)備每次只可以對(duì)一款家電進(jìn)行控制。

當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)通過WiFi模塊接收到上端設(shè)備下發(fā)的數(shù)據(jù)幀后，通過數(shù)據(jù)重組后，組合成一個(gè)包含有11款家電功能狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)包，并通過SPI通信發(fā)送給RF服務(wù)器。RF服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)包后，判斷該數(shù)據(jù)包中的11條數(shù)據(jù)幀中的消息體類型是否有且僅有一個(gè)為“11”或者都為“00”，若其中有且僅有一款家電的數(shù)據(jù)幀中消息體類型為“11”，則把它保存下來，并把它處理成待發(fā)送的狀態(tài)改變幀并通過Si4421下發(fā)出去，其余的10條家電的數(shù)據(jù)幀則全部舍棄。為了上端設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)地獲取家電設(shè)備的狀態(tài)信息，會(huì)每隔一段固定的時(shí)間對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)信息查詢。RF服務(wù)器程序流程圖如圖6所示。

4.2 家電設(shè)備上的RF服務(wù)器軟件工作流程

RF服務(wù)器下發(fā)的控制命令數(shù)據(jù)幀主要有3種：全開、全關(guān)廣播消息數(shù)據(jù)幀，控制家電設(shè)備的全開或者全關(guān)；家電設(shè)備狀態(tài)查詢數(shù)據(jù)幀，用來查詢各家電設(shè)備當(dāng)前最新的工作狀態(tài)；操控具體家電功能數(shù)據(jù)幀，用來控制某一款具體的家電進(jìn)行狀態(tài)的改變。

如圖7所示，家電設(shè)備上的RF終端設(shè)備接收到RF服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)幀后，判斷數(shù)據(jù)幀的類型，若是全開、全關(guān)廣播消息數(shù)據(jù)幀，則每個(gè)家電設(shè)備全開機(jī)或者關(guān)機(jī)；若是家電設(shè)備狀態(tài)查詢數(shù)據(jù)幀，則各家電設(shè)備按照產(chǎn)品編號(hào)順序反饋?zhàn)约旱臓顟B(tài)信息給RF服務(wù)器；若是操控具體家電功能數(shù)據(jù)幀，則每個(gè)家電設(shè)備判斷接收到的數(shù)據(jù)幀的產(chǎn)品編號(hào)是否與自己的一致，若是，則接收數(shù)據(jù)并經(jīng)過數(shù)據(jù)整合后傳遞給家電控制器執(zhí)行相應(yīng)的操作，否則不接收［8］。

圖6 RF服務(wù)器程序流程圖

圖7 RF終端設(shè)備程序流程圖

結(jié) 語

本文提出了一種基于RF的智能家居無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用低功耗、低成本、高速率的無線RF模塊組建無線網(wǎng)關(guān)上的RF服務(wù)器和各家電設(shè)備上的RF終端設(shè)備，進(jìn)而搭建了整個(gè)智能家居內(nèi)部的無線通信網(wǎng)絡(luò)。該無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)既解決了智能家居內(nèi)部組網(wǎng)及無線操控的問題，又降低了智能家居控制系統(tǒng)的成本，使大多數(shù)家庭能夠享受舒適、智能、安全的生活環(huán)境。實(shí)驗(yàn)表明，該無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制靈敏、抗干擾性強(qiáng)、擴(kuò)充能力強(qiáng)，具有很好的通用性，非常適合在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用。

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