基于ANT協(xié)議的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安冬輝，史麗軍，朱　博，譚天宇

(1.武漢大學(xué)　電子信息學(xué)院，湖北　武漢　430072；2.北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)，北京 100032；3.湖北工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

基于ANT協(xié)議的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安冬輝1，史麗軍2，朱博3，譚天宇1

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430072；2.北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)，北京 100032；3.湖北工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

摘要:分析了智能家居環(huán)境中無線通信的特點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)自組織性、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面提出了對無線通信協(xié)議的要求。根據(jù)ANT協(xié)議簡單高效、組網(wǎng)靈活、易于改進(jìn)的特點(diǎn)，以ANT協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種包含智能接入、動(dòng)態(tài)路由、自適應(yīng)跳頻技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過真實(shí)場景實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效地解決了家居智能接入、家庭網(wǎng)絡(luò)安全性、穩(wěn)定性的問題，提高了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，其作為家庭無線網(wǎng)絡(luò)具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞:智能家居；ANT；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；動(dòng)態(tài)路由；自適應(yīng)跳頻

1智能家居無線網(wǎng)絡(luò)

在智能家居的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通信節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，設(shè)備種類不一，節(jié)點(diǎn)分布不均勻，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍大。當(dāng)節(jié)點(diǎn)分布比較集中時(shí)，如擺放在客廳中各式各樣的家電，無線通信時(shí)需要解決信道碰撞、干擾的問題，以及隨之帶來的丟包重連等狀況；分布比較分散時(shí)，存在節(jié)點(diǎn)與中心網(wǎng)關(guān)路由通信不可靠的問題。同時(shí)，由于分布不均勻帶來的通信網(wǎng)絡(luò)資源分配問題，同樣需要考慮進(jìn)去。由于智能家居場境的獨(dú)特性，無線網(wǎng)絡(luò)解決方案一直是智能家居領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

為與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，在網(wǎng)絡(luò)中需要設(shè)立一個(gè)功能強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)[1]。家庭網(wǎng)絡(luò)中，一般用戶家庭面積在100m2左右，大戶型多為150～300m2甚至更大，家庭通信特別是跨樓層的通信，嚴(yán)重受到家庭布局的影響，要保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)監(jiān)測和控制到所有節(jié)點(diǎn)，如果單依靠增加發(fā)射功率來組建無線網(wǎng)絡(luò)，顯然不切合實(shí)際，因此，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要支持中繼、路由的通信方式。日常生活中，用戶購買新電器和電器維修時(shí)有發(fā)生，對于用戶來說，將新購買的電器或維修后的電器配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)加入原有網(wǎng)絡(luò)，絕大多數(shù)用戶不愿意而且沒有能力完成這個(gè)任務(wù)。所以無線網(wǎng)絡(luò)需要采用自組織的方式，用戶無需關(guān)心網(wǎng)絡(luò)配置，只需通過簡易的方式如按鍵，由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)識(shí)別新節(jié)點(diǎn)和失效節(jié)點(diǎn)。無論是星型拓?fù)溥€是樹形拓?fù)洌彝ゾW(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的魯棒性要求很高，一兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的崩潰，不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。例如，路由節(jié)點(diǎn)損壞或離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須要有新的路由產(chǎn)生，以免造成通信阻塞、網(wǎng)絡(luò)癱瘓；在2.4GHzISM頻道的設(shè)備眾多，為防止不法分子利用家庭已有網(wǎng)絡(luò)做出傷害用戶利益的行為，網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)必須加密，要么硬件加密，要么在軟件層實(shí)現(xiàn)[2]。同時(shí)，2.4GHz頻段的設(shè)備如WiFi發(fā)射功率和帶寬較大，網(wǎng)絡(luò)會(huì)受到一定程度的干擾，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要在當(dāng)通信環(huán)境干擾較大時(shí)，采取一定的應(yīng)對措施，如擴(kuò)頻、跳頻等。在智能家居環(huán)境中，一些場景如燈光控制、灶具溫控等對通信延遲要求比較高。

2ANT協(xié)議

ANT協(xié)議的工作頻段在ISM2.4GHz公共頻段，具有1Mbit/s的空中數(shù)據(jù)速率，支持多頻率和高密度網(wǎng)絡(luò)[3]。ANT協(xié)議提供可靠的通信物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的處理。ANT協(xié)議應(yīng)用場景包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以及智能家居等[4]。

信道和節(jié)點(diǎn)是ANT協(xié)議中基本概念。節(jié)點(diǎn)是組建ANT協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的基本單元[5]，分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)兩種，根據(jù)數(shù)據(jù)的流向來確定。主節(jié)點(diǎn)是通信的發(fā)起者，從節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并回復(fù)。ANT協(xié)議的配置與使用均基于信道[6]，信道連接主、從節(jié)點(diǎn)，完成通信。在ANT協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)間通信采用TDMA機(jī)制，一條信道的主節(jié)點(diǎn)同時(shí)可以成為另外一條信道的從節(jié)點(diǎn)[7]。ANT協(xié)議支持獨(dú)立信道和共享信道兩種信道類型，獨(dú)立信道為一對一的雙向通信，共享信道支持一對多或者多對一的雙向通信。

3基于ANT協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)

3.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中有3種通信節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)，由這3種節(jié)點(diǎn)組建了串狀的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)即簇頭節(jié)點(diǎn)，和鄰近區(qū)域若干終端節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)簇網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)與各簇頭節(jié)點(diǎn)雙向通信形成骨干網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)則作為簇頭，負(fù)責(zé)簇網(wǎng)絡(luò)內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯聚、轉(zhuǎn)發(fā)。在該網(wǎng)絡(luò)中，中心節(jié)點(diǎn)由獨(dú)立的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)均為家庭中家居電器的無線通信模塊構(gòu)成。

圖1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2節(jié)點(diǎn)和信道設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)，即家庭網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，主要完成通信數(shù)據(jù)匯集、轉(zhuǎn)發(fā)，骨干網(wǎng)絡(luò)的通信跳頻；管理路由節(jié)點(diǎn)的分配、接入、加密認(rèn)證。中心節(jié)點(diǎn)作為家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，與外網(wǎng)服務(wù)器通信，為建立家庭智能化大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供了接入口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)例如用戶遠(yuǎn)程控制等功能。在入網(wǎng)前，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)均為普通節(jié)點(diǎn)，根據(jù)智能接入和動(dòng)態(tài)路由算法，選擇其中的節(jié)點(diǎn)成為路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與中心節(jié)點(diǎn)的通信，同時(shí)構(gòu)造并管理簇網(wǎng)絡(luò)，包括終端節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)接入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、通信跳頻。

為避免和解決網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)信道沖突的問題，骨干網(wǎng)絡(luò)通信采用獨(dú)立信道，信道本身具有TDMA機(jī)制，路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)采用共享信道，由路由節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)分配通信時(shí)隙，終端節(jié)點(diǎn)只有在對應(yīng)的通信時(shí)隙才能與路由節(jié)點(diǎn)通信。路由節(jié)點(diǎn)采用共享信道通信，目的在于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和自組織能力。

3.3網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1智能接入

當(dāng)有普通節(jié)點(diǎn)加進(jìn)來時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)檢查是否有空余的獨(dú)立信道，如果有多余發(fā)送入網(wǎng)通知，普通節(jié)點(diǎn)收到通知后，發(fā)送入網(wǎng)申請連接中心節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，成為路由節(jié)點(diǎn)；如果獨(dú)立信道沒有空余，中心節(jié)點(diǎn)不發(fā)送入網(wǎng)通知。普通節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到中心節(jié)點(diǎn)通知，搜索附近的路由節(jié)點(diǎn)，找到路由節(jié)點(diǎn)后，向路由節(jié)點(diǎn)申請入網(wǎng)，路由節(jié)點(diǎn)將申請上報(bào)給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證成功下發(fā)入網(wǎng)回復(fù)，普通節(jié)點(diǎn)成為終端節(jié)點(diǎn)。智能接入解決網(wǎng)絡(luò)自組織性的需求， 用戶將家居電器買回家，只需要簡易按鍵操作，即可完成入網(wǎng)。

3.3.2通信加密

普通節(jié)點(diǎn)申請入網(wǎng)時(shí)，入網(wǎng)申請中包含出廠ID，經(jīng)中心節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證通過，發(fā)放對稱密鑰，正式成為路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)。在接下來的通信中，數(shù)據(jù)通信會(huì)被加密，通信雙方利用密鑰解密，加解密算法在此不做研究。節(jié)點(diǎn)沒有通過ID驗(yàn)證時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)不發(fā)送回復(fù)，不再接收該節(jié)點(diǎn)后續(xù)發(fā)送的通信數(shù)據(jù)包。同時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)定期更新密鑰，防止加密被破解[8]。通信加密有效地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性，防止不法分子利用家庭網(wǎng)絡(luò)非法入侵，破壞產(chǎn)品功能、毀壞家居，影響用戶生活。

3.3.3動(dòng)態(tài)路由

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[9]因其自組織性、動(dòng)態(tài)性、可靠性和以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)在智能家居方面的應(yīng)用研究存在巨大的潛力，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前家庭網(wǎng)絡(luò)比較主流的解決方案。智能家居網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量避免以較高的發(fā)射功率為代價(jià)直接發(fā)送數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點(diǎn)，造成電磁干擾，而采用多跳的方式將數(shù)據(jù)匯集后再發(fā)送。LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchyprotocol)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的經(jīng)典代表，有很高的參考價(jià)值[10]。

簇首選擇策略、簇的形成和簇的更新是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法考慮和設(shè)計(jì)的核心問題[11]。與LEACH協(xié)議周期性隨機(jī)選擇輪流成為簇頭的機(jī)制[12-13]不同，智能家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大部分為有源節(jié)點(diǎn)，不必過多考慮能量損耗、網(wǎng)絡(luò)生存周期的問題，簇頭的選擇是按需產(chǎn)生[14]，即簇首節(jié)點(diǎn)通信未受阻時(shí)，并不去更新簇，這樣做有效地減少了簇網(wǎng)絡(luò)更新次數(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)通信資源消耗。

簇頭的選擇不取決于簇網(wǎng)絡(luò)本身，而是取決于簇頭節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度、通信質(zhì)量，是被動(dòng)式分簇。當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)通信失聯(lián)時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)在簇網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)送簇網(wǎng)絡(luò)更新通知，簇頭和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入搜索模式。搜索到中心節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)通知的節(jié)點(diǎn)，向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請，中心節(jié)點(diǎn)從入網(wǎng)申請的節(jié)點(diǎn)中選擇信號(hào)強(qiáng)度最好的節(jié)點(diǎn)發(fā)送回復(fù)，收到回復(fù)的節(jié)點(diǎn)成為新的簇頭節(jié)點(diǎn)，完成簇的更新，其流程如圖2所示。

簇網(wǎng)絡(luò)的更新有兩種情況，一種是簇頭更新帶來的簇更新，另一種是簇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)過多，各個(gè)簇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配不均勻時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)布簇更新通知，簇中節(jié)點(diǎn)會(huì)重新決定從屬的簇，這樣使得各個(gè)簇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)平衡。路由節(jié)點(diǎn)周期統(tǒng)計(jì)簇網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，如果數(shù)目過多(通信資源緊張，延遲較高，路由節(jié)點(diǎn)負(fù)荷重)，在簇網(wǎng)絡(luò)廣播網(wǎng)絡(luò)更新通知。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及LEACH的實(shí)驗(yàn)證明，簇頭占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的5%時(shí)為最優(yōu)[15]，也就是說每個(gè)簇中非簇頭節(jié)點(diǎn)(ClusterMember，CM)與簇頭節(jié)點(diǎn)(ClusterHead，CH)的數(shù)目之比不大于19∶1最優(yōu)。

圖2　路由節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)路由流程圖

終端節(jié)點(diǎn)[16]連續(xù)3次沒有收到共享信道中的數(shù)據(jù)包時(shí)，進(jìn)入搜索狀態(tài)，搜索中心節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)通知，或各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，直到搜索成功為止。終端節(jié)點(diǎn)如果收到簇網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷大的通知，在空閑時(shí)段進(jìn)入搜索狀態(tài)，尋找其他網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較小的簇網(wǎng)絡(luò)加入，如圖3所示。

將分層動(dòng)態(tài)路由技術(shù)運(yùn)用到智能家居無線環(huán)境中，利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳自組織的特點(diǎn)，改進(jìn)了LEACH路由協(xié)議簇網(wǎng)絡(luò)更新機(jī)制，其目的在于保證下層節(jié)點(diǎn)與上層節(jié)點(diǎn)通信出現(xiàn)斷開情況時(shí)，下層節(jié)點(diǎn)能夠有效地通過動(dòng)態(tài)路由重新快速回到網(wǎng)絡(luò)中。

3.3.4自適應(yīng)跳頻

大多數(shù)情況下，采用ANT協(xié)議的無線通信，由于發(fā)射接收ANT數(shù)據(jù)包的有效時(shí)間很短，基本上不會(huì)受到干擾。但是如果當(dāng)前通信頻段存在其他發(fā)射帶寬、功率較大的設(shè)備(例如WiFi設(shè)備)，占用大量頻段資源時(shí)，不同設(shè)備之間的頻率資源沖突、相互干擾的可能性就會(huì)大大增加[17]。網(wǎng)絡(luò)采用頻率捷變機(jī)制(Frequency

圖3　終端節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)路由流程圖

Agility，F(xiàn)A)解決辦法，當(dāng)信道受到外接射頻干擾時(shí)，通信節(jié)點(diǎn)能夠自主地切換到其他頻點(diǎn)[18]，提高了ANT設(shè)備在無線通信環(huán)境中的共存能力。

目前主流的跳頻方式有計(jì)算連續(xù)丟包數(shù)目和設(shè)定RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)干擾閾值兩種，本文將這兩種方案結(jié)合起來使用。通信連續(xù)丟包數(shù)目最為直接，當(dāng)丟包超過一定數(shù)目時(shí)，檢測通信頻點(diǎn)的RSSI，如果過高則跳頻。

保證通信雙方完成頻率捷變有兩種途徑，一種是主從雙方計(jì)算丟包數(shù)的粗同步方案，連續(xù)丟包超過一定數(shù)目則觸發(fā)跳頻動(dòng)作。依據(jù)ANT頻率捷變技術(shù)文檔，從節(jié)點(diǎn)連續(xù)丟包達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，認(rèn)定當(dāng)前通信鏈路受到干擾，其連續(xù)丟包的數(shù)目C計(jì)算公式如下：

當(dāng)信道周期參數(shù)T<32 768時(shí)

C=4

(1)

當(dāng)T≥32 768時(shí)

(2)

式中：T為信道周期參數(shù)，信道周期為T/32 768s。例如當(dāng)T=8 192時(shí)，信道周期為4Hz時(shí)，連續(xù)丟包數(shù)目C經(jīng)計(jì)算為8，即從節(jié)點(diǎn)每0.25s收到一次來自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，當(dāng)連續(xù)丟失8個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，認(rèn)定當(dāng)前通信收到干擾。

在主節(jié)點(diǎn)端，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包均為應(yīng)答數(shù)據(jù)包，發(fā)送數(shù)據(jù)包沒有收到回復(fù)，則計(jì)算為1次丟包。當(dāng)成功收到回復(fù)時(shí)，連續(xù)丟包計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)丟包計(jì)數(shù)值等于跳頻丟包數(shù)時(shí)，判定當(dāng)前通信收到干擾，主節(jié)點(diǎn)觸發(fā)調(diào)頻的下一步動(dòng)作。計(jì)算連續(xù)丟包數(shù)目C的公式如下

(3)

式中：S為搜索超時(shí)時(shí)間，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)在搜索狀態(tài)搜索超過S時(shí)，關(guān)閉搜索信道；T為信道周期參數(shù)。例如當(dāng)搜索超時(shí)為24s，T為8 192時(shí)，C計(jì)算為32，即主節(jié)點(diǎn)連續(xù)32次未收到回復(fù)，則認(rèn)定與從節(jié)點(diǎn)通信收到干擾。一般情況下，主節(jié)點(diǎn)的連續(xù)丟包數(shù)要大于從節(jié)點(diǎn)計(jì)算的丟包數(shù)。這是因?yàn)橹鞴?jié)點(diǎn)完成一次通信，從發(fā)送數(shù)據(jù)包到收到回復(fù)，需要兩次無線傳輸[17]。

另外一種方案是由通信的主節(jié)點(diǎn)監(jiān)測當(dāng)前通信的RSSI值，如果高于設(shè)定的干擾閾值，發(fā)送跳頻通知，這是無線通信中實(shí)現(xiàn)頻率捷變FA更為普遍的做法。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信道模型[18]可知

(4)

式中：Pt為發(fā)射功率；d為通信距離。在智能家居的環(huán)境中，Pt一般設(shè)為0dBm，室內(nèi)情況下d≤8m，RSSI干擾閾值取值在-65dBm左右。檢測RSSI值時(shí)，測量取10次當(dāng)前信道的RSSI值，取測量值中3個(gè)最大值，計(jì)算平均值，如果大于-65dBm時(shí)，認(rèn)定當(dāng)前信道存在噪聲干擾，進(jìn)行頻道切換。這樣有效地減少了由于瞬間干擾造成信道切換的次數(shù)。

計(jì)算雙方丟包數(shù)的粗同步方法，能夠解決信道嚴(yán)重受損，通信從節(jié)點(diǎn)不能接收跳頻通知的情形。而發(fā)送跳頻通知的方法則解決了在一對多情形下的，網(wǎng)絡(luò)多同步跳頻問題。綜合以上兩種方案，接下來介紹本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)跳頻技術(shù)。

當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)連續(xù)5次發(fā)送數(shù)據(jù)沒有回復(fù)，認(rèn)定和路由節(jié)點(diǎn)通信收到干擾，檢查與其他路由節(jié)點(diǎn)的通信情況，以及其他頻點(diǎn)的RSSI值。如果與其他節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)良好(不丟包，RSSI低于設(shè)定的閾值)，則說明問題出在路由節(jié)點(diǎn)方面，不予處理，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到8次仍無回復(fù)，把信道空出來發(fā)送入網(wǎng)通知。如果和其他路由節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量也不好，同樣受到干擾，則獲取其他頻點(diǎn)的RSSI值。在發(fā)送跳頻通知后，跳到新的頻點(diǎn)。無論中心節(jié)點(diǎn)還是路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)，都有相同的3個(gè)頻點(diǎn)，如圖4所示。

圖4　中心節(jié)點(diǎn)跳頻流程圖

在路由節(jié)點(diǎn)管理的簇網(wǎng)絡(luò)中，路由節(jié)點(diǎn)連續(xù)3次發(fā)送數(shù)據(jù)，某個(gè)終端節(jié)點(diǎn)沒有回復(fù)，認(rèn)定該終端節(jié)點(diǎn)失聯(lián)了，檢查與其他終端節(jié)點(diǎn)的回復(fù)情況，如果大部分良好，不予處理，繼續(xù)發(fā)送直到5次沒有回復(fù)，將該終端節(jié)點(diǎn)踢出簇網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)跳頻流程如圖5所示。

圖5　路由節(jié)點(diǎn)跳頻流程圖

4實(shí)驗(yàn)測試

本文使用Nordic北歐半導(dǎo)體公司的NRF24AP2芯片作為射頻收發(fā)芯片，其芯片內(nèi)嵌ANT協(xié)議棧。采用意法半導(dǎo)體ST公司的STM32F103VET6作為主控芯片，組成通信節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)的通信節(jié)點(diǎn)如圖6所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)(照片)

實(shí)驗(yàn)場景中有1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和18個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，按照一定的規(guī)則分布在3間房間內(nèi)如圖7所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)測試場景平面圖

中心節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)的通信周期為1s，路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)為2s。經(jīng)過100次收發(fā)數(shù)據(jù)包測試，由中心節(jié)點(diǎn)到路由節(jié)點(diǎn)的通信平均延遲在1s左右，丟包率3%；中心節(jié)點(diǎn)到終端節(jié)點(diǎn)的通信平均延遲在3s左右，丟包率5%，滿足智能家居環(huán)境的通信要求。

動(dòng)態(tài)路由實(shí)驗(yàn)，在一號(hào)房間門口設(shè)置障礙物，路由節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)通信受阻，簇網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)更新，圖中的灰色節(jié)點(diǎn)成為新的簇頭節(jié)點(diǎn)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)20次，一號(hào)房中的節(jié)點(diǎn)都能完成簇網(wǎng)絡(luò)更新，簇網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間平均在6s左右。即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信受到障礙物干擾，或者節(jié)點(diǎn)損壞等情況時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠在6s時(shí)間完成自愈，恢復(fù)通信。

跳頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用GNU軟件無線電平臺(tái)模擬射頻干擾源，將干擾源放在中心節(jié)點(diǎn)附近。初始網(wǎng)絡(luò)通信頻點(diǎn)配置為2.439GHz，當(dāng)通信受到頻帶干擾時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)丟包嚴(yán)重，平均在5s左右監(jiān)測到射頻干擾，中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送跳頻通知切換到新的頻點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)隨之切換到對應(yīng)頻點(diǎn)，同步時(shí)間差在1s左右，通信從受到射頻干擾到回復(fù)通信的時(shí)間平均在7s左右。

將干擾源放在二號(hào)房內(nèi)，簇網(wǎng)絡(luò)通信受到射頻干擾，簇頭與中心節(jié)點(diǎn)，簇頭與簇內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)了丟包的情況。簇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均進(jìn)入搜索狀態(tài)，簇頭的重新選擇為二號(hào)房中灰色節(jié)點(diǎn)，通信頻率為2.475GHz，耗時(shí)平均在6s左右。隨后其他節(jié)點(diǎn)收到新的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，加入該簇網(wǎng)絡(luò)，完成簇的更新，從簇網(wǎng)絡(luò)收到射頻干擾到簇網(wǎng)絡(luò)的更新，30次實(shí)驗(yàn)平均時(shí)間在8s左右。即當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)受到區(qū)域的射頻干擾時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠在8s時(shí)間完成通信的跳頻動(dòng)作。

5總結(jié)

本文從智能家居無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點(diǎn)出發(fā)，提出該環(huán)境下無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)該考慮的問題。利用ANT協(xié)議易于改進(jìn)、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織多跳的路由技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套適合智能家居的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠有效地解決家庭網(wǎng)絡(luò)安全性、穩(wěn)定性、自組織性的問題，同時(shí)增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力、網(wǎng)絡(luò)自愈能力。最后經(jīng)過實(shí)際測試，證明能夠作為家庭網(wǎng)絡(luò)為智能家居服務(wù)，對未來智能家居行業(yè)提供了應(yīng)用參考價(jià)值。

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責(zé)任編輯：時(shí)雯

DesignofsmarthomewirelessnetworksystembasedonANTprotocol

ANDonghui1，SHILijun2，ZHUBo3，TANTianyu1

(1.Electronic Information School， Wuhan University， Wuhan 430072，China；2.The Experimental High School Attached to Beijing Normal University，Beijing 100032，China；3.Hubei Engineering University2，Hubei Xiaogan 432000，China)

Abstract:The demand for wireless communication protocol in smart home environment is analyzed in this paper.Based on the analysis，ANT wireless protocol is simple，efficient，and easy to improve. Combined with the technology of wireless sensor network，a wireless network solution is designed，which comprises intelligent access，dynamic routing，and adaptive frequency agility technologies. The experiment results in actual scene show that， the system has a good performance of anti-interference，and solves the problem of security and robustness in network of smart home. The results prove that the system has reliability，stability and good applications in smart home network.

Key words:smart home；ANT；wireless sensor network；dynamic routing；adaptive frequency agility

中圖分類號(hào):TN919

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.009

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFC770)

收稿日期：2015-11-06

文獻(xiàn)引用格式：安冬輝，史麗軍，朱博，等.基于ANT協(xié)議的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2016，40(3)：38-43.

ANDH，SHILJ，ZHUB，etal.DesignofsmarthomewirelessnetworksystembasedonANTprotocol[J].Videoengineering,2016,40(3)：38-43.