基于RF的智能家居無線通信網絡架構設計

王倩　鄒浙湘　劉謀君

摘 要： 隨著智能家居的發(fā)展，智能管控需求大幅提升，有線網關已經無法滿足功能需求。針對此問題，基于433 MHz頻段的無線RF通信網絡模塊，設計一種適用于家庭網絡的關聯(lián)、管理系統(tǒng)。用搭載RF無線模塊的智能終端通過內置WiFi模塊發(fā)射控制信息或狀態(tài)查詢指令，通過服務器驗證RF通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀；采用PIC16F726單片機及SPI串行接口構成觸發(fā)模塊，以驗證和篩選各類指令；采用高集成度、頻率自調的Si4421型號單晶射頻芯片來降低大型網絡下服務器的負載，服務器再將處理、整合后的信息發(fā)送給指定設備終端，從而實現(xiàn)高效、全面的無線智能家居。

關鍵詞： RF無線網絡； 智能家居； 數(shù)據(jù)幀驗證； 觸發(fā)模塊； Si4421芯片

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0029?03

Abstract： With the development of modern intelligent home， the intelligent control demand has increased sharply， and the cable gateway has been unable to meet its functional requirements. In this situation， the RF wireless communication network module based on 433 MHz band was designed， which is suitable for association management system of home network. The intelligent terminal with RF wireless module transmits control information or status query commands through the built?in WiFi module and verifies the data frame in the RF communication protocol through server. PIC16F726 MCU and SPI serial interface are adopted to make up the trigger module to verify and screen various types of instructions. Si4421 model single crystal RF chip with high integration degree and frequency self?regulation is used to reduce the server load of large?scale networks. The server then sends the processed and integrated information to the designated equipment terminal， so as to achieve efficient and comprehensive wireless smart home.

Keywords： RF wireless network； smart home； data frame verification； trigger module； Si4421 chip

早期家居智能化通常是通過室內綜合布線和控制端集成的方式實現(xiàn)各類電器設備的連網及管控，繼而實現(xiàn)信息、資源間的共享、控制與傳輸[1]。然而近年來伴隨著智能化程度加深，社會智能化程度越來越高，大型有線網絡在布線及控制端集成、安裝時技術難度倍增，架設成本也大幅提升，已無法滿足現(xiàn)行智能化網絡需求。本文基于短距RF技術中433 MHz頻段的一類無線通信網絡，進行優(yōu)質智能網關系統(tǒng)的開發(fā)。

1 RF無線通信網絡框架設計

RF智能家居無線網絡系統(tǒng)功能結構如圖1所示，整個系統(tǒng)可分為終端接收設備、管理設備和發(fā)射設備 [2]。為了便于用戶終端從RF服務器中獲取目標的狀態(tài)信息，系統(tǒng)會在RF服務器上設定循環(huán)播報狀態(tài)查詢程序，不斷向RF接收終端發(fā)送查詢請求。此時，下屬各RF終端經過指令識別區(qū)分操作命令和查詢命令，判斷查詢字節(jié)對應的終端序列，核對編號。經查證后終端將執(zhí)行狀態(tài)查詢命令，返回查詢信息。若編號不匹配，則將指令作廢，終端不返送任何消息。建立這種網絡“IP”式關聯(lián)系統(tǒng)可以實現(xiàn)設備群的精確控制和最新的狀態(tài)查詢，大幅提升網關設備群容量。

2 RF網絡系統(tǒng)軟、硬件組建

2.1 系統(tǒng)功能硬件設計

根據(jù)室內環(huán)境結構多變、障礙物對信號強度的影響較大的工程特性可知，指令編碼傳輸、狀態(tài)信息收發(fā)均要求載體信號具備極強的穿障礙物能力[3]。因此，常規(guī)短距通信技術無法實現(xiàn)這一功能需求，反而會限制信號覆蓋的范圍和信息清晰度；而433 MHz的ISM射頻信號兼具穿透性和廉價性，可大范圍多點覆蓋，具備良好的架設基礎。

RF射頻模塊的電路主要由PIC16F726單片機和具備高集成度的Si4421型號射頻芯片構成。PIC16F726型單片機配備2個8位定時器加一個16位定時器，與SPI同步串行端口共同構成定時模塊，功耗低、性能良好，適宜在無線收發(fā)中承擔控制觸發(fā)器的功能。

Si4421為多頻段的全集成FSM單晶收發(fā)器，芯片各項指標嚴格遵守FCC和ETSI中的性能規(guī)定[4]。只需給Si4421添加一個外部晶體振蕩器，并在電路中串聯(lián)去耦電容即可滿足工作需求。此外，Si4421出色的自動頻率控制特性將大幅降低大型RF網關中的服務器負載和制造成本。endprint

RF服務器與主控芯片間主要通過SPI接口進行各類數(shù)據(jù)交互。在無線網關芯片的SPI接口引腳釋放成為普通的GPIO接口后，將對寄存器進行軟件配置以管理設備。如NSS引腳配置SPI主模式（高電平），或者通過引腳置0（低電平）來選擇目的RF從設備。

RF終端設備配置原理基本相同，也是通過SPI接口與設備芯片進行信息通信[5]。不同的是，終端設備需要通過引腳采集傳感器數(shù)據(jù)、接收并識別操控和查詢指令、反饋家電狀態(tài)信息給主控器，并在RF服務器上儲存?zhèn)浞?，如圖2所示。

2.2 RF核心通信協(xié)議設定

RF通信協(xié)議需要根據(jù)不同種類家電的功能獨立設定數(shù)據(jù)幀，分別對應不同代碼，以此保證信息傳輸?shù)臏蚀_性。如圖3所示，通常數(shù)據(jù)幀由10個字節(jié)組成，每個字節(jié)又由4位編碼組成，包含家電的產品信息、產品編號、產品狀態(tài)以及產品功能等設備特征，且對應各編碼可獨立進行驗證，以防出現(xiàn)錯誤通信和無效通信[6]。

2.3 通信網絡軟件系統(tǒng)設計

RF服務器的軟件程序的主要職能為：收集、整理控制設備端發(fā)出的攜帶有操控或狀態(tài)查詢指令的數(shù)據(jù)幀，以此實現(xiàn)信息交互和無線終端設備的狀態(tài)管理，程序流程如圖4所示。而根據(jù)常用家電設備的特征信息數(shù)據(jù)包大小，在規(guī)模較大的組網無線關聯(lián)中，將網關主控芯片與RF服務器之間的SPI通信比特率設定在70 kb/s以上，才可實現(xiàn)穩(wěn)定、流暢的智能管控[7]。另外，設定數(shù)據(jù)幀信息標志信息（以00/11區(qū)分），若出現(xiàn)“11”，則舍棄其他數(shù)據(jù)幀，將此數(shù)據(jù)幀通過Si4421下發(fā)出去，實現(xiàn)特定家電控制。設備終端在接收到下發(fā)的數(shù)據(jù)幀后，需先判斷數(shù)據(jù)幀的類型。常見的控制命令數(shù)據(jù)幀主要有3種：全開、全關廣播消息、控制家電全開或全關。根據(jù)每種指令，分別執(zhí)行區(qū)域設備的獨立、聯(lián)合開閉。若是狀態(tài)查詢指令，則將本機產品編號和狀態(tài)信息送入RF服務器對應寄存器暫存，留待數(shù)據(jù)整合后反饋給控制端[8?9]。

3 系統(tǒng)功能測驗

為了驗證系統(tǒng)的功能性和實用性，測試模擬了當用戶攜帶智能終端進入控制區(qū)并接入WiFi網絡后，發(fā)現(xiàn)目標設備后與其進行信息交互。Android智能終端與控制塊同步通信，繼而通過客戶端軟件來控制和管理照明設備的整個流程。另外，為了保證系統(tǒng)功能適用性，命令輸入涵蓋了3種不同的方式：按鍵命令、語音命令、短信命令。

（1） 用戶攜帶移動控制中端進入網絡覆蓋區(qū)域，打開手機搜索網絡，接入無線網關，控制端匹配成功，狀態(tài)燈呈綠色。

（2） 用戶對手機進行操作，發(fā)送“開燈”的控制命令短信到指定目標，手機終端屏幕網關系統(tǒng)中表示照明燈的圖標亮起，約10 s后屋內對應照明燈點亮。測試重復20次，統(tǒng)計相關數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

（3） 用戶對手機進行操作，運行手機設備綁定的Voice Search軟件進行命令錄入。語音說：“開啟客廳照明燈?！?，經識別處理，約5 s后，客廳照明燈點亮。測試重復20次，統(tǒng)計相關數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

（4） 用戶對手機進行操作，直接在手機智能家居客戶端上點擊照明燈圖標，圖標由暗變亮，4～5 s后，室內對應照明設備點亮。測試重復20次，統(tǒng)計相關數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

熄滅的過程和效果、花費時常與點亮過程近似。統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)得出結論：直接接入網絡的語音和按鍵命令精確度高，耗時較短，短信控制花費時間較長。總體識別耗時均在5 s以內，精確度為99.8%，具備大規(guī)模網關擴充的潛力。

4 結 語

本文充分考慮到復雜環(huán)境下的通信質量和穩(wěn)定度，在433 MHz以上頻段，設計出一種基于RF技術的無線智能家居通信網絡，分析了433 MHz頻段RF智能網關系統(tǒng)的軟、硬件設計與搭建。經過系統(tǒng)性功能測試，結果表明此RF系統(tǒng)成本較低、易實現(xiàn)、具備較高的功能精確度和穩(wěn)定度。

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