智能家居RF通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

曾 艷，程文彬，戴躍洪

（1.電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 成都611731；2.電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 中山528400）

1 引言

智能化控制已經(jīng)在家電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，家電、通信模塊、控制器、客戶端四者之間依次連接通信，以實(shí)現(xiàn)客戶端對家電的智能控制。智能家庭網(wǎng)絡(luò)可以分為3個(gè)部分：外聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)和內(nèi)部網(wǎng)。外聯(lián)網(wǎng)可能是小型局域網(wǎng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)、GSM（global system for mobile communication，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等，其中大部分使用相對成熟的通信技術(shù)；內(nèi)部網(wǎng)是一個(gè)局域網(wǎng)，用于家用電器及多種設(shè)備的互連，大多采用ZigBee、Z-Wave、射頻通信、Wi-Fi等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

[1]提出家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)子模塊和主控模塊之間的通信，家庭外部網(wǎng)絡(luò)通過GSM的短消息模塊建立移動(dòng)電話用戶和DSP（digital signal processing，數(shù)字信號處理）控制模塊之間的遠(yuǎn)程通信。參考文獻(xiàn)[2]提出了基于Wi-Fi和LTE（long term evolution，長期演進(jìn)）網(wǎng)絡(luò)的智能家居方案。由于TD-LTE（time division long term evolution，時(shí)分長期演進(jìn)）系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)在2.4 GHz信道相鄰共存，需要采取CSMA（carrier sense multiple access with collision detection，載波偵聽多路訪問/碰撞檢測）/CA訪問機(jī)制避免干擾。參考文獻(xiàn)[3]采用Internet作為外部網(wǎng)絡(luò)，家庭網(wǎng)絡(luò)使用基于Z-Wave技術(shù)的無線個(gè)域網(wǎng)，由控制器、路由子節(jié)點(diǎn)和普通子節(jié)點(diǎn)組成。參考文獻(xiàn)[4]提出通過藍(lán)牙組建智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)模塊和GSM模塊接入外部網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn)[5～7]則選擇433 MHz無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一套基于STM32單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了Wi-Fi無線通信、傳感器、RF（radio frequency，射頻）、IR（infrared radiation，紅外線）等技術(shù)。用戶使用上位機(jī)（手機(jī)或個(gè)人電腦）通過Wi-Fi訪問STM32單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對家電、窗戶窗簾、門禁信息等的本地和遠(yuǎn)程無線智能控制。控制系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)控制模塊的特點(diǎn)選用適用的通信控制方式。

目前各種無線傳輸技術(shù)均存在一定的問題[9]：ZigBee技術(shù)功耗低但技術(shù)不夠成熟，并且無線收發(fā)器CC2530（工作在2.4 GHz）的價(jià)格是CC1101（工作在433 MHz）價(jià)格的1.5倍；Wi-Fi功耗大，并且普通的控制芯片不能滿足Wi-Fi高速的數(shù)據(jù)傳輸要求；ZigBee和Wi-Fi均工作在2.4 GHz頻段上，采用CSMA/CA訪問機(jī)制避免干擾，增加了通信成本；藍(lán)牙時(shí)延大、成本高。因此，本文采用射頻無線通信技術(shù)[10]，具有功耗小、成本低、組網(wǎng)自由和傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

2 基于RF通信的智能家居體系架構(gòu)

基于RF通信的智能家居體系架構(gòu)如圖1所示，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及終端控制層。應(yīng)用層負(fù)責(zé)用戶登錄、安全認(rèn)證、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)管理和處理；網(wǎng)絡(luò)層涉及數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)加密以及防沖突技術(shù)；終端控制層包含驅(qū)動(dòng)模塊和微控制器。本智能家居系統(tǒng)增加了防沖突硬件、防沖突層、數(shù)據(jù)合成和數(shù)據(jù)加密算法4個(gè)部分，加強(qiáng)了防沖突功能和數(shù)據(jù)安全性。

本系統(tǒng)的通信控制過程為：用戶通過客戶終端（電腦、Pad、手機(jī)等）輸入操作命令，網(wǎng)絡(luò)端控制器接收用戶命令數(shù)據(jù)，處理后通過RF通信模塊發(fā)往家庭終端（受控制的節(jié)點(diǎn)），家庭終端根據(jù)規(guī)定協(xié)議解析數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)操作并返回家電狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3 RF通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

3.1 通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

該RF通信模塊的框架如圖2所示。家庭終端主要由微控制器STM8S103F和無線收發(fā)模塊組成，無線收發(fā)模塊由RF無線射頻芯片CC1101和天線組成；網(wǎng)絡(luò)控制端由高性能控制器和無線收發(fā)模塊組成。

STM8S103F3是高性能的8 bit通用控制器，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、成本低、性價(jià)比高等特點(diǎn)[11]；具有8 KB的flash程序存儲(chǔ)器，610 byte真正的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM和1 KB的RAM（random access memor），滿足存儲(chǔ)家電信息數(shù)據(jù)的需求；具有強(qiáng)大的I/O功能，硬件接口豐富，滿足監(jiān)控家電狀態(tài)的需求；該控制器比51單片機(jī)的價(jià)格更低、性能更穩(wěn)定、運(yùn)算速度更快。CC1101是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)[12]。CC1101具有可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率，可達(dá)500 kbit/s；可編程控制的輸出功率，對所有的支持頻率可達(dá)+10 dBm，具有低電壓供電、低功耗、收發(fā)距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足系統(tǒng)成本低、開發(fā)難度小的要求。

目前通信模塊與家電之間的連接端口眾多，電平往往難以兼容，極大地限制了家電與通信模塊的匹配標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。本文RF通信模塊與家電之間采用簡潔的四線制通信方式，可兼容5 V和3.3 V電平，有利于智能家居RF通信模塊在本技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2 通信模塊的通信及控制

家庭終端STM8S103F微控制器主要執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)：通過SPI口控制CC1101無線收發(fā)信息、四線制查詢或控制家電狀態(tài)。工作流程為：上電初始化設(shè)置T0定時(shí)器和開啟外部中斷0；周期性采集家電狀態(tài)信息，通過與存儲(chǔ)信息比較，若發(fā)現(xiàn)家電工作狀態(tài)出現(xiàn)異常或改變，則將數(shù)據(jù)封裝成固定格式幀，通過CC1101發(fā)射數(shù)據(jù)，上報(bào)網(wǎng)絡(luò)層；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層有命令向家電端發(fā)送時(shí)，CC1101接收完數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生脈沖信號觸發(fā)MCU外部中斷0，微控制器讀取數(shù)據(jù)，解分組后根據(jù)命令對家電進(jìn)行相應(yīng)控制，并且回發(fā)狀態(tài)信息。本系統(tǒng)RF通信工作在433 MHz頻段，無需授權(quán)許可。

網(wǎng)絡(luò)端控制器主要負(fù)責(zé)家庭終端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理。

4 通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

4.1 通信設(shè)計(jì)流程

RF通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程主要包括：首先研究RF防沖突與高安全的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)RF通信模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其次根據(jù)RF的方法論設(shè)計(jì)RF模塊的流集合，然后根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)RF通信模塊高頻驅(qū)動(dòng)層和RF通信模塊數(shù)據(jù)接口層，最后根據(jù)硬件RF特性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)RF防沖突高安全模塊。圖3描述了RF防沖突高安全通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。為了保證該模塊的可靠性和復(fù)用性，在實(shí)現(xiàn)完成之后需要進(jìn)行測試和分析，以便檢查和改正整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

4.2 通信實(shí)現(xiàn)過程

（1）RF通信模塊的實(shí)現(xiàn)

RF通信模塊的基本功能主要包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[13]。如圖4所示，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，接口層負(fù)責(zé)將上層要發(fā)送的數(shù)據(jù)組裝成符合RF規(guī)范格式的RF協(xié)議層數(shù)據(jù)單元，調(diào)用RF_Transmit()將此數(shù)據(jù)幀交給驅(qū)動(dòng)層，再由驅(qū)動(dòng)層調(diào)用RF_DriveWrite()啟動(dòng)控制器的傳輸請求。將數(shù)據(jù)放入模塊FIFO緩沖區(qū)，等待硬件空閑時(shí)再將其發(fā)送出去。發(fā)送成功后，會(huì)向上層模塊以回調(diào)函數(shù)的形式發(fā)送一個(gè)成功確認(rèn)，當(dāng)發(fā)送方收到這個(gè)確認(rèn)后表明一次發(fā)送動(dòng)作已經(jīng)成功。

圖3 RF通信模塊的設(shè)計(jì)流程

圖4 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程

在接收時(shí)，首先由驅(qū)動(dòng)層調(diào)用RF_DriveReceive()，以中斷的方式告知應(yīng)用層；然后調(diào)用RF_ReceiveLen()獲取數(shù)據(jù)長度，判斷是否有數(shù)據(jù)；再調(diào)用RF_DataReceive()讀取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行檢查，等待發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)的到達(dá)，提取有用的數(shù)據(jù)。在接收過程中如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，便會(huì)調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，并停止向上層告知數(shù)據(jù)的到達(dá)。

（2）STM8S103F的實(shí)現(xiàn)

由于STM8S103F的串口不具有硬件緩沖區(qū)，當(dāng)接收FIFO寄存器溢出后，新數(shù)據(jù)可能無法存入接收FIFO。針對這個(gè)問題，本系統(tǒng)采用模塊FIFO緩沖區(qū)，即用軟件模擬FIFO緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)方式[14]。STM8S103F具有1 KB的RAM（random access memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），可以預(yù)先設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)Buf_TX和Buf_RX，用于存儲(chǔ)待發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。通過修改每個(gè)緩沖區(qū)的讀、寫指針，改變緩沖區(qū)的使用位置。

（3）RF防沖突高安全模塊的實(shí)現(xiàn)

目前RF模塊發(fā)送數(shù)據(jù)前，不檢測空間是否存在相同頻率的電磁波。在已有電磁波的情況下，向空間發(fā)送同頻電磁波，將會(huì)對已存在的同頻電磁場產(chǎn)生干擾，同時(shí)不能保證自身的數(shù)據(jù)能夠被目標(biāo)RF設(shè)備完整地接收。通過檢測空間是否存在同頻電磁波，做出即時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)或者時(shí)延發(fā)送數(shù)據(jù)的決定，有效地達(dá)到防沖突的目的。

防沖突的實(shí)現(xiàn)過程是：首先確定是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)；若需要發(fā)送，則檢查是否有同頻電磁波；若有，等待時(shí)延時(shí)間到達(dá)，再檢查同頻電磁波；直到無同頻率的電磁波，才發(fā)送數(shù)據(jù)；收到目標(biāo)RF模塊應(yīng)答后才表明發(fā)送完成；發(fā)送完成后，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送[15]。防沖突流程如圖5所示。

在安全方面，采用新的雙滾碼加密算法，每次的數(shù)據(jù)傳送都有雙滾碼雙加密的數(shù)據(jù)成分，在通信安全方面得到了進(jìn)一步的升級[16～18]。

5 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

考慮到家庭網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量很小，不需要很寬的傳輸帶寬。因此家庭網(wǎng)絡(luò)采用特殊的低速傳輸協(xié)議，低速傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)的完整性強(qiáng)，系統(tǒng)更穩(wěn)定，成本也更低。RF通信是通過輻射到空間的高頻電磁波傳播信息，受空間干擾較大。因此設(shè)計(jì)RF通信協(xié)議時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)校驗(yàn)，提高通信性能，減少偽數(shù)據(jù)和噪聲的干擾[19]。本文中，RF通信采用固定的數(shù)據(jù)分組格式，幀數(shù)據(jù)主要包含地址信息、控制信息和數(shù)據(jù)信息，如圖6所示。

圖6 存儲(chǔ)在TX FIFO中的數(shù)據(jù)分組格式

·地址信息：目的地址和源地址用于區(qū)分終端和控制端；家庭編號用于確保家庭設(shè)備地址的唯一性。

·控制信息：幀編號用于控制通信流程，記錄發(fā)送幀和應(yīng)答幀；幀類型記錄控制端對終端的查詢和控制操作信息以及終端對控制端的入網(wǎng)申請、報(bào)警、確認(rèn)操作等信息。

·數(shù)據(jù)信息：記錄家電的狀態(tài)信息。

CC1101內(nèi)置硬件支持?jǐn)?shù)據(jù)分組傳輸協(xié)議，可以自動(dòng)為存儲(chǔ)在TX FIFO的有效數(shù)據(jù)載荷添加前導(dǎo)字節(jié)、同步字節(jié)以及可選的用PN9序列寫入數(shù)據(jù)、前向誤差編碼和插入數(shù)據(jù)、CRC。最后傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式如圖7所示。

圖7 RF數(shù)據(jù)幀格式

在發(fā)送模式下，調(diào)制器最先傳送可控字節(jié)的前導(dǎo)字節(jié)（010101序列，推薦4 byte），前導(dǎo)字節(jié)傳送完畢后傳送4 byte（或2 byte）的同步字節(jié)，然后傳送TX FIFO中的有效載荷，最后計(jì)算所有TX FIFO中數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和，發(fā)送2 byte的CRC。

6 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)測試：發(fā)射功率為-10 dB以下時(shí)，穿透能力較差，信號強(qiáng)度弱，不能滿足家庭多房間通信的要求；發(fā)射功率高達(dá)10 dB時(shí)，傳輸距離達(dá)40 m以上，考慮到家庭使用環(huán)境，功率過大會(huì)造成干擾，所以-5～5 dB的發(fā)射功率最為合適。當(dāng)發(fā)射功率為0 dB時(shí)，電流消耗為16.1 mA，傳輸距離為15 m左右，可穿透室內(nèi)墻壁（樓層間為鋼筋混泥土材料，對無線傳輸干擾較大，有利于防止鄰居間設(shè)備頻率干擾）。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率為250 kbit/s時(shí)，接收器靈敏度為-88 dB，數(shù)據(jù)分組誤碼率為1%，滿足系統(tǒng)要求。

7 結(jié)束語

智能家居終端設(shè)備的極大差異，造成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)形式多種多樣，存在網(wǎng)絡(luò)接口不統(tǒng)一的問題。本文首先介紹了基于RF通信的智能家居體系架構(gòu)，其次針對接口不統(tǒng)一問題設(shè)計(jì)了四線控制家電的RF通信模塊，該模塊接口簡單，具有高兼容性。通過自定義的RF通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了家庭內(nèi)部射頻通信。最后，實(shí)驗(yàn)測試證明該模塊可以實(shí)現(xiàn)收集家電信息、協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)收發(fā)、控制家電狀態(tài)的功能。

參考文獻(xiàn)

1 Gao M M,Shao L S.The design of wireless intelligence home system based on ZigBee.Proceedings of the 3rd International Conference on Computer and Electrical Engineering,Chengdu,China,2012

2 Song Y,Han B J,Zhang X.Modeling and simulation of intelligence home scenarios based on internet of things.Proceedings of the 3rd IEEE International Conference on Network Infrastructure and Digital Content,Beijing,China,2012

3 劉晗.基于Z-Wave技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì).復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012

4 徐景.智能家居無線嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2008

5 劉杰,章韻,陳建新.利用433 MHz射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng).計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（S2）：68～72

6 涂亮.基于433無線收發(fā)模塊的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì).電視技術(shù),2012,36(6):44～46

7 溫細(xì)金,汪波,黃佩偉.智能家居網(wǎng)絡(luò)中基于RF的信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).電視技術(shù)，2008，48(2):92～96

8 韓曉英,張方櫻,朱靜.基于STM32單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).硅谷，2013(132):14～15

9 Zheng Y H.An analysis on wireless communications technology in intelligent home.Proceedings of 2011 International Conference on E-Business and E-Government,Shanghai,China,2011:1～4,6～8

10 黃鵬,楊云志,李元忠.物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)RFID技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展.電訊技術(shù),2010,50(3):85～89

11 ST.STM8S103F3.http://www.st.com/web/catalog/mmc/FM141/SC1244/SS1010/LN754/PF215113

12 TI.CC1101 low-Power sub-1 GHz RF transceiver.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/CC1101.pdf

13 樂升華.智能護(hù)理機(jī)器人近距離無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).電視技術(shù),2013,37(21):63～66

14 魏永清,萬寶年.具有軟件模擬FIFO緩沖區(qū)的串口通信模塊設(shè)計(jì).嵌入式軟件應(yīng)用,2006,22(7):64～66

15 REN P.A wireless self-organizing and multi-hop network for intelligent home system.Proceedings of the 6th International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing,Chengdu,China,2010:1～4

16 錢萍,吳蒙.一種基于Hash函數(shù)的RFID安全認(rèn)證方法.電信科學(xué),2011,27（10）：109～112

17 魏麗麗,董慶寬,丁文秀.一種基于公鑰的低成本RFID雙向認(rèn)證協(xié)議.電信科學(xué)，2013，29（10）：65～71

18 肖鋒,周亞建,周景賢.標(biāo)準(zhǔn)模型下可證明安全的RFID雙向認(rèn)證協(xié)議.通信學(xué)報(bào)，2013，34（4）：82～87

19 劉余,孟小華.嵌入式智能家居終端通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（8）：1689～1692