家庭物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)研究

李爭祥 宗海舟 占建龍

（通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，基于物物相聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,IOT）引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，智能家居是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要表現(xiàn)方面，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。隨著物聯(lián)網(wǎng)理論的深入發(fā)展，由于物聯(lián)網(wǎng)具有成本低、速度快、安裝方便、維護方便等特點，在家庭智能家居中占有重要優(yōu)勢。無線網(wǎng)絡(luò)非常靈活，且安裝方便、容易排線布局，非常適合在家庭網(wǎng)絡(luò)中使用?？梢灶A(yù)計，無線傳感技術(shù)會進一步智能化，在家庭無線網(wǎng)絡(luò)中能夠快速發(fā)展[1]?；诩彝サ奈锫?lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)本質(zhì)上還是無線傳感網(wǎng)，現(xiàn)實場景中的應(yīng)用主要包括組網(wǎng)模式、訪問控制、路由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層實際等核心技術(shù)，除了這些無線傳感網(wǎng)絡(luò)的共性理論和技術(shù)之外，家庭物聯(lián)網(wǎng)無線通信系統(tǒng)還具有自身的特點，如低功耗、可靠傳輸、實時通信、可擴展的無線測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，環(huán)境數(shù)據(jù)的泛在化能夠被物聯(lián)網(wǎng)全面感知，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以在網(wǎng)絡(luò)上進行數(shù)據(jù)集成和設(shè)備管理。物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境進行評估，跟蹤家居環(huán)境中的各個家電位置，對家居中的家電進行實時監(jiān)控。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有自組織、技術(shù)實現(xiàn)方便、部署靈活等優(yōu)點，為家庭居住者提供更加智能、便利、安全的生活環(huán)境。

1 家庭物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

在家庭物聯(lián)網(wǎng)中無線網(wǎng)絡(luò)具有傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型特征，比如自組織、多跳、低功耗等，而且由于家庭中存在著各種遮擋，這種遮擋會使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸沖突、干擾等問題。該文根據(jù)傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論，分析在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居環(huán)境下對無線通信網(wǎng)絡(luò)的要求，對智能家居無線通信系統(tǒng)的原理框圖進行研究，搭建框圖如圖1所示。研究智能家居無線通信系統(tǒng)的目的主要是在家庭物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下搭建網(wǎng)絡(luò)框架，在網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)過程中主要研究信道分配技術(shù)及信號可靠性傳輸。該文研究了一套面向應(yīng)用和家庭物聯(lián)網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)包括信道分配技術(shù)、多跳路由傳輸技術(shù)、介質(zhì)訪問控制技術(shù)等。

圖1 家庭物聯(lián)網(wǎng)功能框圖

1.1 信道分配技術(shù)

每個無線信道的數(shù)據(jù)質(zhì)量由信道探測決定，信道探測后將結(jié)果輸入信道模型進行分析。滿足正常組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)要求，在選擇信道時從現(xiàn)有信道地址中選擇最佳的無線信道地址。網(wǎng)絡(luò)通信時，判斷當(dāng)前使用的通道是否因異常干擾而被頻繁使用。如果干擾影響通信系統(tǒng)的正常通信，把現(xiàn)有信道從可通信信道中移除，重新選擇最佳質(zhì)量信道作為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)使用的通信信道。該過程可以保證無線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性傳輸?；贗EEE802.15.4 通信協(xié)議，該研究選取2.4G 通信頻段，2.4G 是全球免費ISM 頻率，在家庭環(huán)境中抗衰減能力強。

1.2 多跳路由傳輸技術(shù)

當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)是樣本中定期生成并由每個傳感器連接器上報的傳感器信息。由于終端用戶能夠更加仔細地觀察數(shù)據(jù)連接，因此發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)必須可靠，并且上述過程必須以較低的開銷完成該過程[2]。為此，路由技術(shù)必須考慮許多問題，例如在內(nèi)部質(zhì)量檢測技術(shù)和替代技術(shù)之間切換。為了管理上述成本，該研究采用了不同的多徑選路方法，如圖 2 所示。路由技術(shù)由許多模塊組成，如鏈接評估、數(shù)據(jù)檢索、路由表和選路模塊。其中，鏈路評估模塊用于計算與相鄰區(qū)域的連通性水平。出于不同的目的，它目前主要按照功能模式分為2 個部分：穩(wěn)定性評估和靈敏性評估。穩(wěn)定性估計用于維持通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的常規(guī)方法，而靈敏性估計用于提供實時數(shù)據(jù)?？刂颇K接受多通道管理算法，使用每種方法以不同方式向其他節(jié)點發(fā)送消息。如果由于故障或連接級別降低導(dǎo)致路徑丟失，需要立即切換到另一個路徑以便繼續(xù)跟蹤系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。

圖2 路由技術(shù)原理圖

1.3 基于混合式介質(zhì)訪問控制技術(shù)

介質(zhì)訪問控制技術(shù)的目的是為了解決同一信道存在網(wǎng)絡(luò)競爭的問題。目前，主要有2 種方法來解決網(wǎng)絡(luò)中的信道競爭問題:基于載波偵聽的CSMA 和基于時分多址的TDMA。分析2 種不同的介質(zhì)訪問控制技術(shù)，對比其優(yōu)缺點，該文采用CSMA 和TDMA 結(jié)合的混合組合方式，充分利用載波偵聽可擴展的優(yōu)點和時分多址的無沖突特征，這樣可以提高家居物聯(lián)網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的可靠性傳輸和實時性傳輸。對于無線休眠設(shè)備，喚醒之前在TDMA 工作時隙開始時重新啟動正常操作。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，信道第一步是進行CSMA 載波偵聽，假設(shè)偵聽到信道空閑，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，反之將數(shù)據(jù)隨機退回到某一空閑時隙并重新進行CSMA 等待數(shù)據(jù)的下一步發(fā)送。在家庭的家居物聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境下，不同家電的通信采用時分多址訪問控制技術(shù)，可以做到不同的設(shè)備之間不會存在互相干擾的現(xiàn)象，但是同一類別的無線設(shè)備可能會一直隨機退回，所以總體上避免了信道之間的沖突。當(dāng)回退成功時，網(wǎng)絡(luò)會記載該過程中的回退次數(shù)，以便為下次遇到網(wǎng)絡(luò)競爭時能夠為隨機回退提供參考[3]。

2 家庭物聯(lián)網(wǎng)無線通信系統(tǒng)硬件設(shè)計

家庭物聯(lián)網(wǎng)中無線通信模塊的設(shè)計屬于硬件設(shè)計。在硬件平臺的選購中，需要結(jié)合智能家居的特殊控制需求，在滿足這些需求的基礎(chǔ)之上，選擇性價比較高的平臺設(shè)備，比如市場中有價格優(yōu)勢而且市場占有率也較高的設(shè)備。通過調(diào)查研究，在民用市場中飛思卡爾mcl3213 芯片相比較于NEC、微芯等公司的芯片性價比較高，因此選用該品牌作為硬件平臺。

MCl3213 的技術(shù)參數(shù)：低功耗處理器40MHzHCS08；60KBFLASH，4KBRAM，支持省電模式；8-10bit8 通道ADC 地址；支持802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)接收器的雙通道串行數(shù)據(jù)輸入，在QPSK 調(diào)制模式下可支持高達250kbps 的傳輸速度等。

2.1 硬件概述

硬件設(shè)計主要考慮了外圍的功能模型和無線射頻頻段的模型。在功能設(shè)計上，系統(tǒng)的主要對外接口有1 個串行接口、1 個無線接口以及許多通用的外部I/O 接口。

常見模塊比如SCSC-Nopa，包括陶瓷貼片天線。該模塊放大器增加了功率。

主要功能如下：1）用戶參數(shù)配置，用戶可以通過芯片軟件和端口軟件配置物理地址和遠程地址、設(shè)備配置類型、發(fā)射功率、網(wǎng)絡(luò)ID 等多種設(shè)備參數(shù)。2） 采用 ISM 頻段，SCSC 模塊的頻率使用的2.4 GHz 頻段。3）SCSC-Nopa最大的特色就是能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進行自組織修復(fù)，使用SCSCNopa 能夠自動檢測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，不需要任何外在的干預(yù)，能夠自行對網(wǎng)絡(luò)進行維護和修復(fù)，從而達到穩(wěn)定通信網(wǎng)絡(luò)的目的。當(dāng)在無線通信中對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行添加刪除移動等操作，網(wǎng)絡(luò)依然能夠借助SCSC-Nopa 模塊繼續(xù)工作，從而不會影響整個無線通信系統(tǒng)的工作，保證可家居物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下各個家電智能設(shè)備的正常運行。4）網(wǎng)絡(luò)容量大。SCSC系列模塊目前支持的最大路由區(qū)域為5 級，具有路由功能的區(qū)域允許多達20 個節(jié)點。5） SCSC 系列模塊的低功耗設(shè)計可適用于智能家居環(huán)境。

2.2 省電模式

Zigbee 協(xié)議定義了3 種類型的節(jié)點，每個類型是不同的配置模式：配置區(qū)決定了網(wǎng)絡(luò)配置。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)上只有一個 Zigbee 協(xié)調(diào)器。 Zigbee 路由可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持路由器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。Zigbee 端點對內(nèi)存大小和速度性能的要求較低。所有設(shè)備都可以與操作系統(tǒng)的組件完全通信。配置區(qū)、路由器節(jié)點和子節(jié)點都可以是全功能區(qū)，但半功能區(qū)只能是子節(jié)點。全功能區(qū)與其他全功能區(qū)和半功能區(qū)進行組合，可以進行正常通信[4]。家庭物聯(lián)網(wǎng)中，根據(jù)智能家居要求的功能特點，要求該系統(tǒng)的低功耗節(jié)點是子節(jié)點。該子節(jié)點可以通過定時和外部中斷進行喚醒。

3 家庭物聯(lián)網(wǎng)無線通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

Zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由 Zigbee 聯(lián)盟制定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議IEEE802.15.4 指定了Zigbee 的物理層和鏈路層。它有如下特征：1）低數(shù)據(jù)傳輸速度。對于大多數(shù)低數(shù)據(jù)傳輸請求，速率只有10kps～250kps。 2）低功耗。根據(jù)低功耗，2 節(jié)固態(tài)電池可使用8～36 個月，而且可在任何使用電池的情況下使用。這一特點是Zigbee 的獨有優(yōu)勢[4]。3）成本低。交付率低，通信系統(tǒng)簡單易實現(xiàn)，軟件設(shè)計簡單，成本可控。而且不收取專利費用。4） 最大網(wǎng)絡(luò)容量。最多可支持6500 個節(jié)點。5）短延遲。平均延遲在15ms～30ms。6） 安全性。芯片自帶AES-128 加密算法。7） 有效路徑少。最小覆蓋范圍在 10m～75m。對于特殊應(yīng)用，可根據(jù)當(dāng)前要求調(diào)整傳輸容量（功放最大通信距離可增加到1000m 以上），滿足普通家庭和辦公室的需求。8）工作頻段設(shè)置方便。無線通信系統(tǒng)系統(tǒng)主要有主機節(jié)點和外圍控制區(qū)。高級控制模塊可以完成發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)配置和信息管理，控制工具專門用于控制各個受控端的觀看信息。創(chuàng)建管理信息以創(chuàng)建有效的家庭管理。這種通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)維護方法簡單易用，網(wǎng)絡(luò)安全和傳輸非常容易，并且能夠保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。

3.1 工作流程

3.1.1 一級入網(wǎng)過程

將Zigbee 協(xié)調(diào)器打開之后，把用戶設(shè)備的登錄信息上傳到無線通信系統(tǒng)中。此時網(wǎng)絡(luò)的外圍節(jié)點能夠監(jiān)聽廣播信息，根據(jù)廣播信息來判斷網(wǎng)絡(luò)與該機網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽是否一致。經(jīng)過對比分析，如果監(jiān)聽到信號強度高于設(shè)置好的門限值，則分配網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送入網(wǎng)成功報文和網(wǎng)絡(luò)地址與目的地址的對應(yīng)表[5]。同時表明設(shè)備成功訪問網(wǎng)絡(luò)，此時成功訪問網(wǎng)絡(luò)包括設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)接收到該命令才表明設(shè)備訪問成功。反之，入網(wǎng)失敗。

3.1.2 二級入網(wǎng)過程

一級路由節(jié)點成功入網(wǎng)后，會定期發(fā)布周期性的廣播入網(wǎng)信息。連接到網(wǎng)絡(luò)的外圍連接不偵聽傳輸?shù)男畔⒉⒅甘揪W(wǎng)絡(luò)標(biāo)識是否相同。判斷相同，即接收到的設(shè)備信號強度大于預(yù)設(shè)門限值，網(wǎng)絡(luò)就會將一級路由節(jié)點發(fā)送命令進入網(wǎng)絡(luò)。管理層首先指揮網(wǎng)絡(luò)進入應(yīng)用程序，并判斷網(wǎng)絡(luò)本身是否被標(biāo)記。如果信號強度相同，則確定信號強度是否大于預(yù)期。如果比預(yù)期長，網(wǎng)絡(luò)就會重新指派新的訪問地址，發(fā)送輸入指令，并保存與網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址對應(yīng)的關(guān)系表。如果小于該值，則發(fā)送失敗的網(wǎng)絡(luò)輸入命令。一旦提交時間結(jié)束，訪問成功的設(shè)備會把相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址發(fā)送給Zigbee 協(xié)調(diào)器，設(shè)備的位置信息也包含在其中。網(wǎng)絡(luò)對各個設(shè)備的位置分配不同的網(wǎng)絡(luò)地址，主要是根據(jù)節(jié)點類型進行匹配的，節(jié)點類型主要包括路由節(jié)點和葉子節(jié)點[6]。進入三級網(wǎng)絡(luò)和三級節(jié)點的過程與進入二級局域網(wǎng)的過程相似。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)維護

一旦子節(jié)點插入到網(wǎng)絡(luò)，它總是會向網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點發(fā)送該設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)存儲信息。對網(wǎng)絡(luò)進行維護時，會自動發(fā)送傳感器信息和子節(jié)點位置信息。 當(dāng)父節(jié)點收到這些網(wǎng)絡(luò)維護信息時，自動收集網(wǎng)絡(luò)維護信息并上傳給Zigbee 協(xié)調(diào)器。如果父節(jié)點在連續(xù)4 個周期內(nèi)沒有收到子節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)維護信息，需要判斷該子節(jié)點是否從網(wǎng)絡(luò)中掉線。

3.2 程序流程

操作系統(tǒng)使用多個線程并使用事件觸發(fā)機制來實現(xiàn)性能。設(shè)置類型：協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。不同的初始化方式有不同類型的選項。節(jié)點信息的初始化包括本地地址、網(wǎng)絡(luò)地址、網(wǎng)絡(luò)ID、定時發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信息的時間、時間分配、傳輸功率等。開始時間包括CSMA 過期時間、網(wǎng)絡(luò)廣播時間、預(yù)發(fā)布時間、端口時鐘時間、同步時間等。接收到beacon 處理：在網(wǎng)絡(luò)訪問為空時設(shè)置，在網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)束時執(zhí)行同步功能，網(wǎng)絡(luò)連接兼容，網(wǎng)絡(luò)連接不活動且連續(xù)信號強度大于預(yù)期。對接收到的數(shù)據(jù)進行排序：接收到的信息會有緩沖區(qū)分組，用于同時接收多個數(shù)據(jù)集，分別對緩沖區(qū)信息進行處理。使用不同的命令數(shù)據(jù)方法和數(shù)據(jù)幀，執(zhí)行另一個過程來建立網(wǎng)絡(luò)安全信息。數(shù)據(jù)傳輸：一旦發(fā)送的數(shù)據(jù)被打包成標(biāo)準(zhǔn)格式，就會觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸功能。串口信號配置：如果要處理串口數(shù)據(jù)，會根據(jù)不同的串口信息進行額外處理。配置信息用于修改主要配置信息，例如設(shè)備的物理地址、網(wǎng)絡(luò)信號、傳輸功率等其他信息。按鍵系統(tǒng)：根據(jù)各自的功能使用不同的按鍵。

3.3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

通信系統(tǒng)軟件可以通過串口調(diào)整配置模塊的設(shè)置。在網(wǎng)絡(luò)接入管理中，節(jié)點具有本地和遠程配置切換功能，可以請求遠程節(jié)點狀態(tài)并控制信息的發(fā)送和接收。2 個節(jié)點都可以使用。通過對設(shè)備的配置來執(zhí)行其安裝工作。該數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以進行節(jié)點和非節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互，可以通過串口和超級終端命令設(shè)置模塊參數(shù)。無線模塊根據(jù)操作模式分為非正常通信模式和正常通信模式。安裝高配置引腳或瀏覽器是通信的正常狀態(tài)。如果不加以管理，可能為非正常通信狀態(tài)。

該系統(tǒng)軟件設(shè)計使用Zigbee 串口命令集，集成了幀格式，包括幀頭、數(shù)據(jù)幀、位視圖3 個區(qū)域。幀頭為單字節(jié)，固定格式為 0xaa。 全局幀數(shù)據(jù)是可變的，最大254 字節(jié)。校驗位為單字節(jié)，接受特殊的OR 異或方法，即利用異或方法找到結(jié)構(gòu)或所有幀格式數(shù)據(jù)。列出特定幀格式的活動數(shù)據(jù)，包括3 個類別，即命令、長度和相關(guān)數(shù)據(jù)。對于用戶要執(zhí)行的命令來說，高字節(jié)必須讀寫，低字節(jié)代表命令。

4 結(jié)語

該文完成了家庭物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，重點針對現(xiàn)有家庭物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前應(yīng)用中存在的不足進行研究和改進，比如沒有實時監(jiān)控到外圍節(jié)點是否始終在網(wǎng)、外圍節(jié)點維護不便等問題。該文僅對家庭物聯(lián)網(wǎng)智能家居的無線通信系統(tǒng)做初步探討。隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件與信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將不斷發(fā)展壯大，并得到越來越多的應(yīng)用。智能家居在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用前景廣闊。