基于ANDS協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)模組在智能家居上的應(yīng)用

鄧海濤 徐基巍

（1.青島澳柯瑪生活電器有限公司 青島 266500； 2.青島澳柯瑪智能家居有限公司 青島 266500）

引言

上個世紀90年代，比爾蓋茨最先提出物聯(lián)網(wǎng)的概念，隨著智能科技不斷進步和經(jīng)濟的高速發(fā)展，IOT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸影響到各行各業(yè)，與我們的生活息息相關(guān)，而智能家居便是以家庭環(huán)境為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。智能家居是以住宅為主體，基于IOT 物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)云服務(wù)、AI人工智能等技術(shù)，使家居設(shè)備具有集中管理、遠程控制，實現(xiàn)互聯(lián)互通、自主學(xué)習(xí)等功能，廣泛應(yīng)用于智慧家電、環(huán)境管理、安防報警、信息交流、影音娛樂、遠程抄表等方面，與家居生活有機結(jié)合，創(chuàng)造便捷、舒適、健康、安全、環(huán)保的家庭人居環(huán)境。

本文主要是研究一種基于ANDS 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)模組在智能家居產(chǎn)品上的應(yīng)用，綜合WIFI、Mesh、2.4 G 頻段等核心模組自主研發(fā)，將產(chǎn)品通過接入數(shù)據(jù)云端對接，由終端直接控制或家庭網(wǎng)關(guān)語音控制等方式進行互聯(lián)互通，實現(xiàn)對智慧家電、智能安防、智能健康、智能場景等系統(tǒng)的控制。

1 智能家居產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀研究

1.1 智能家居行業(yè)的發(fā)展

關(guān)于智能家居發(fā)展階段的認知，智能家居設(shè)備發(fā)展從智能單品階段起步，是將設(shè)備通過感知技術(shù)接收信號并做出反應(yīng)，如Bluetooth、紅外等控制技術(shù)，從而實現(xiàn)較為簡單的智能化控制，增加用戶使用便捷性。但由于技術(shù)協(xié)議無法統(tǒng)一，各單品間孤立分散，功能不突出，使用體驗較差。隨著單品智能化程度的提高以及不同通信協(xié)議的互通，以場景為中心的全套智能家居解決方案開始逐漸興起，發(fā)展由智能網(wǎng)關(guān)為中心的智能化產(chǎn)品，正式進入智能互聯(lián)階段，如ZIGBEE、WIFI 等技術(shù)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過遠程手機控制，實現(xiàn)各智能設(shè)備間互聯(lián)互通，根據(jù)不同場景同步轉(zhuǎn)變狀態(tài)，保持家居設(shè)備與住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)一致，并通過組合構(gòu)建全屋智能。未來發(fā)展階段將以用戶為中心建立在個人數(shù)據(jù)分析、行為習(xí)慣理解、自主深度學(xué)習(xí)等基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自動傳導(dǎo)和數(shù)據(jù)分析，一切圍繞以人的需求，借助大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，智能家居設(shè)備構(gòu)建用戶畫像、理解用戶行為提供準時化、個性化、智慧化的服務(wù)。

1.2 智能家居產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀

智能家居產(chǎn)品技術(shù)依托于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等關(guān)鍵技術(shù)，這在一定程度上也促進了家電產(chǎn)品智能化設(shè)備的開發(fā)進程，目前市場上多數(shù)智能家居產(chǎn)品仍以單品智能的形式存在，這種單品聯(lián)網(wǎng)家電在智能家居系統(tǒng)應(yīng)用場景和系統(tǒng)升級更新后，難以實現(xiàn)互聯(lián)互通，給消費者的使用體驗大打折扣[2]。一些家電巨頭企業(yè)則著力打造自有的產(chǎn)品生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)平臺，在其平臺上實現(xiàn)多個產(chǎn)品品類開展縱向合作，畢竟消費者愿意從同一個品牌選擇智能家居產(chǎn)品；也有一些互聯(lián)網(wǎng)公司，依據(jù)自己的系統(tǒng)軟件開發(fā)優(yōu)勢，以參股不控股的方式投資專注于智能硬件細分領(lǐng)域的初創(chuàng)公司和家電公司，通過一系列模組與設(shè)備的相互融合，實現(xiàn)不同家電家居產(chǎn)品的互聯(lián)互通，如小米的ZIGBEE 協(xié)議模塊、京東的WIFI 協(xié)議模塊等。另外，市面上還有一種采用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的NB-IoT 模塊和云服務(wù)器，設(shè)計出了一套從底層硬件到上層云平臺的控制系統(tǒng)設(shè)計方案，這種方案具有覆蓋率高、功耗低等特點。采用NB-IoT 無線通信技術(shù)，支持多樣化終端設(shè)備接入，基于統(tǒng)一規(guī)約和接口，實現(xiàn)不同類型終端設(shè)備的統(tǒng)一接入和管理，確?；ヂ?lián)互通[3]。但這種連接方式也存在一定的缺陷，比如基于低功耗，導(dǎo)致其只能傳輸少了數(shù)據(jù)交互，除通信模塊的價格之外，運營商還將收取運營費用，這樣使得用戶的使用成本增加。

2 基于ANDS 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計方案

2.1 技術(shù)設(shè)計架構(gòu)

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是用于能夠通過一臺終端或一個語音中控，去控制家中多個智能家居設(shè)備，是智能家居發(fā)展的方向。但現(xiàn)階段普遍存在的一個問題是這些不同品牌的產(chǎn)品之間存在互聯(lián)互通的壁壘。市場上的智能家居設(shè)備大都采用植入模組的方式，建立網(wǎng)關(guān)模塊，手機終端通過網(wǎng)關(guān)控制終端設(shè)備進行信息交互，利用特定的通訊協(xié)議完成網(wǎng)關(guān)與終端設(shè)備的無線通信功能，如ZIGBEE 無線通訊技術(shù)。這種無線通訊連接必須建立在有芯片模組植入的前提下，才能實現(xiàn)其物聯(lián)功能；若遇到無法植入或者對現(xiàn)有的遙控類家電進行遠程控制，就難以實現(xiàn)產(chǎn)品的互聯(lián)互通，手機終端設(shè)備無法控制智能家電設(shè)備。

基于ANDS 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計是采用多種通訊協(xié)議集成的方式，集合WIFI、Mesh、2.4 G 頻段、433、紅外學(xué)習(xí)和碼庫調(diào)用等多協(xié)議通訊，通過一臺離在線一體語音主機承載，既可以作為網(wǎng)關(guān)中控，也可以進行語音交互，實現(xiàn)終端的遠程操控。項目優(yōu)勢在于基于自有物聯(lián)網(wǎng)ANDS 通訊協(xié)議，在通訊芯片的選擇上，采用多重組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，進行中控、終端雙層算法的優(yōu)化，利用了傳統(tǒng)局域網(wǎng)的穩(wěn)定，又可以充分發(fā)揮基于ANDS 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的靈活、快捷。這種協(xié)議高效穩(wěn)定，是構(gòu)建全場景智能家居體系的重要基礎(chǔ)（如圖1）。

圖1 ANDS 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計框架

ANDS 設(shè)計一大核心特點是在這個網(wǎng)關(guān)設(shè)備上增加紅外學(xué)習(xí)功能，主要是采用波形拷貝的方式，學(xué)習(xí)帶有遙控裝置的家居設(shè)備，如電視、空調(diào)、電風(fēng)扇、掃地機等。在控制APP 上設(shè)計出不同的家用電器分配功能界面，來控制不同的電器，從而進行相應(yīng)的操作。這種帶有學(xué)習(xí)型紅外遙控器能夠提供存儲遙控按鍵數(shù)據(jù)的存儲方法，當(dāng)進入學(xué)習(xí)狀態(tài)時，能夠接受家電遙控器上的按鍵鍵碼，分析按鍵鍵碼里的引導(dǎo)碼、系統(tǒng)碼以及功能碼，如果記錄成功，便可進行功能控制。引入網(wǎng)狀節(jié)點間控制算法，從各節(jié)點的傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)傳輸情況等方面綜合考量，提升節(jié)點之間的傳輸能力，使得節(jié)點之間可以互補性工作，使得個別主機的故障對全網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生影響，極大提升了工程的可靠性。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

ANDS 物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議優(yōu)勢，多節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)云端傳輸，避免信道堵塞，節(jié)點網(wǎng)狀動態(tài)分配，連接穩(wěn)定，資源分配高效，系統(tǒng)可靠性增強，節(jié)點多跳連接，可覆蓋大面積信號（如圖2）。在網(wǎng)關(guān)與終端動態(tài)分配指令，自動選擇最佳傳輸路徑，網(wǎng)關(guān)與終端一層扁平短鏈傳輸，信息高效及時，有效避免延遲與卡死，離在線一體，保證斷網(wǎng)仍可正常使用，閑置資源靜默，保證功耗可控，預(yù)留更多功能接口，適合工程定制開發(fā)。

圖2 ANDS 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.3 硬件模組開發(fā)

智能家居系統(tǒng)由人機交互系統(tǒng)、智能網(wǎng)關(guān)、智能安防模塊、智能家電模塊、多媒體智能娛樂模塊組成，通過人機交互系統(tǒng)、傳感器模塊與智能網(wǎng)關(guān)通訊，智能網(wǎng)關(guān)控制各個智能模塊運行[4]。ANDS 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)模組采用2.4 G 頻段的通訊模組，其帶有MCU、PA 芯片，與其他無線通訊模塊通過2.4 G 無線通訊。以ZL02-6000-SV17PA 中繼模塊為例，中繼模塊不含PCB 天線（如圖3），模塊工作于2.4 G ISM 頻段，最大發(fā)射功率+17 dBm，開闊地?zé)o干擾通訊距離可達50 m 以上，能夠自組網(wǎng)，可覆蓋絕大部分家庭戶型，詳見具體技術(shù)參數(shù)（如圖4）。

圖3 ZL02-6000-SV17PA 中繼模塊外形

圖4 ZL02-6000-SV17PA 模塊技術(shù)參數(shù)

中繼模塊的連接設(shè)計方案以及注意說明如表1。

表1 中繼模塊的連接設(shè)計表

模組在進行連接時，應(yīng)注意輸入輸出串口的連接，串口RXD 和TXD 相對于中控模塊而言，所以與主機連接方式交叉連接，即：中控RXD 連主機TXD，中控TXD 連主機RXD。另外在進行模組連接時，應(yīng)注意以下幾點：①TXD/RXD 需要增加上拉10 K 電阻；2（VDD）管腳必須接0.1 uF電容濾波。②若產(chǎn)品的設(shè)計空間允許，預(yù)留調(diào)試接口用于智能模組的調(diào)試，采用2.54 mm 的4 pin排針，順序為VDD-SWCLK-SWDIO-GND；若產(chǎn)品設(shè)計空間不允許，留為焊點即可。改模組具有天線焊點，可直接焊接天線，天線焊點中心點距離為4.5 mm。由于模塊屬于靜電敏感器件，在操作時請遵守靜電防護規(guī)則。

3 結(jié)論

隨著科技的進步，人機交互、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得智能家居的連接方式、家居產(chǎn)品越來越多。本文提出了一種基于自有物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議ANDS，綜合WIFI、Mesh、2.4 G 頻段核心模組自主研發(fā)，將產(chǎn)品通過接入云端對接，實現(xiàn)智能家居互聯(lián)互通。本文核心技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)比較，創(chuàng)新路徑是在自創(chuàng)的理論、模型支撐下的技術(shù)實現(xiàn)，為智能家電行業(yè)的同類產(chǎn)品的開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計，提供新的建議和思路。