Sub-G下的自組網家庭智能照明系統的實現

張珣 殳佳輝

摘 要：鑒于Sub-G頻段具有相同功率下傳輸距離遠的優點，設計在Sub-G頻段下建立家庭智能照明無線控制網絡，該網絡具有自組網能力，為樹形拓撲結構，在大大提高信息傳遞效率的同時還能夠對設備進行“精確定點”，使得設備在安裝、管理與維修方面具有巨大優勢。借助該系統不僅可以搭建整套智能家居，還可以為區域照明提供無線控制解決方案。

關鍵詞：Sub-G頻段;自組網;智能照明;樹形拓撲

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）02-00-03

0 引 言

近年來，物聯網和智能家居產業蓬勃發展，無線通信及其協議也再次成為熱門研究方向。目前市場上應用于物聯網和智能家居產業的無線通信協議主要有WiFi，ZigBee和藍牙[1]三種。這三種無線協議都有其各自的優點與缺點。本文項目旨在構建一種小型但成本低、能耗低、適應性好、維護性好且更加安全的無線通信協議，為智能家居乃至小區規劃、區域建設提供新思路[2]。

該無線協議搭建在433 MHz頻率下，為了適應不同的應用場景并兼顧網絡節點的穩定性和覆蓋區域，該協議使用樹形-星形混合拓撲，繼承了樹形拓撲的完整父子邏輯，并在此基礎上建立了設備結構層級，極大地提高了信息傳遞的精確度，在防止信號和能量冗余方面也有顯著效果[3-4]。同時，該協議的特殊結構以及自動組網的特性使得設備節點的安裝、檢修十分方便，亦可廣泛應用于工廠設備管理中。

1 系統總體結構

本文系統采用Sub-G頻段自組網技術，網關與終端節點自動組成樹形拓撲結構網絡進行通信。用戶可以通過移動設備或者網頁端進入控制界面，對家庭智能設備進行控制?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

2 系統硬件設計

2.1 控制電路模塊

通過分析市場上的射頻芯片，決定將BQ3905作為系統的主芯片[5]。BQ3905是一個高度集成的Wideband FSK多通道半雙工收發器，運行在低于1 GHz的無許可ISM波段，接收部分為完全集成的low-if架構。采用Fractional-N合成器進行PLL調制，用于FSK傳輸。BQ3905適用于無許可證（ISM）波段的無線應用，高度集成，僅需很少的外部組件。BQ3905的頻段選擇較多，為系統選擇433.92 MHz頻段進行組網通信?；贐Q3905的無線模塊電路設計如圖2所示。

控制電路的主控芯片采用松翰公司設計生產的UTF87001[6]。UTF87001是一款增強型8051微控制器，擁有高達32 MHz的CPU頻率，4 kB非易失性FLASH存儲器（IROM），支持在線編程功能，256 B內部RAM，

13個中斷源，可控制中斷的優先等級以及獨立的中斷向量，12個內部中斷，1組8/16位PWM發生器，12位SAR ADC，包括10個外部通道和2個內部通道，以及4個內部參考電壓，SPI/UART接口，支持SMBus的I2C接口，工作電壓范圍大（1.8～5.5 V），溫度范圍為-85 ℃～-40 ℃，可應用于無刷直流電機、家用自動化產品等。UTF87001 14引腳封裝如圖3所示。

上述芯片不僅擁有較強的穩定性和處理性能，其成本相比市面上其他射頻芯片與MCU也有較大優勢，符合本文通信協議的“低成本”要求。

2.2 射頻電路接收板

射頻電路接收板連接P0.1～P0.3，P0.7為撥碼開關，P1.5為PWM輸出可控硅控制電路接口，P1.6為過零電路同步信號輸入引腳，P1.7引腳標紅，代表有改動或者新增引腳，P1.8為撥碼開關，一側接引腳，一側下拉到VSS[7]。除上述引腳與下載口外，需再引出VDD排針和VSS排針。接收板芯片如圖4所示。

可控硅過零電路：交流220 V信號直接接2個1 MΩ電阻，作為同步信號，輸入到過零電路同步信號輸入引腳。此外射頻電路接收板還增加了物理開關，控制220 V進電。

2.3 射頻電路發送板

發送板使用5708芯片，無需調光。此外，引腳和片上元件除SWAT外，布局與接收板完全相同。芯片引腳如圖5所示。

2.4 燈控模塊

本文項目采用的LM78 WiFi燈控模組擁有業內極富競爭力的封裝尺寸和PWM調制技術。LM78智能燈模組可廣泛應用于球泡燈、LED數碼管、LED網屏、全彩LED點光源等，支持各種語音控制，包括亞馬遜語音控制[8]。

3 系統軟件設計

3.1 軟件主控流程

節點設備持續等待發送端的網絡信號，當接收到來自發送端的信號后通過通信協議判斷該信號的具體內容。若是有效請求進入，則廣播數據包延時50 ms，同時接收模式延時2 s，之后判斷是否有應答返回。若是，則等待，若否，則繼續等待網絡數據。軟件主控流程如圖6所示。

3.2 組網構建

網絡設備分為投放節點、運輸節點與目標節點三種類型，其等級依次降低。某一設備只能主動向同級或低級設備發送組網請求，但能夠被動接收高級設備的組網邀請。相比于普通的網狀設備，即網絡通過泛洪（將信息發送給所有能連接到的節點）方式進行數據傳輸，這種分類型的設備結構層次不僅能提高信息的傳遞效率，也能做到設備的“精確定點”，這在設備的安裝、管理與維修方面都具有巨大優勢。組網架構如圖7所示。

組網結構為樹形拓撲結構，而第二層（運輸層）節點之間又構成星形拓撲結構，不僅彌補了普通樹形拓撲鏈路數量較少的缺點，也使得整個路由協議更加靈活。而第三層（目標層）采用多連接樹形結構，既具有普通樹狀拓撲的完整父子邏輯，又不失星形拓撲的廣度，在實際路由過程中能兼顧較少運算量和較精確路由規劃兩大方面，是控制成本與功耗的軟件基礎。

組網協議是深度為三層的層間通信協議。由于每層的節點等級不同，因此具有不同的功能。最底層的目標節點只具有接收、處理與上報數據的功能，是組網結構中的最末端節點;第二層的運輸節點能夠對信息進行轉發，包括上報、下達與同級傳遞三種轉發方式，是組網協議中的核心信息傳遞層;第一層的投放節點是組網協議中等級最高的節點，具有下達建立組網消息、收集子節點信息等功能。

3.3 報文格式

在組網結構中，每一個設備都有唯一的16位設備ID，其ID命名方式為區+域+塊，用于設備間的識別和信息的精確轉發。組網協議以報文形式傳遞信息，一幀報文共15 B，其格式如下：

[0]頭序列碼 [1]下一跳地址高

[2]下一跳地址低 [3]目標地址高

[4]目標地址低 [5]上一跳地址高

[6]上一跳地址低 [7]目標地址高

[8]目標地址低 [9]數據描述符

[10]數據聲明符 [11]數據位高

[12]數據位低 [13]校驗碼

[14]尾序列碼

一幀報文中，頭序列、尾序列與大部分協議一樣均用于報文的同步;上一跳、下一跳地址用于節點與節點之間的報文傳遞;源地址、目標地址用于報文定位來源與需要傳遞的目的地;數據申明與描述符用于數據類型的判斷;校驗碼用于報文的校驗，檢驗碼的形式為報文第一到十二字節的無符號加法再取反。

同時，為了限制報文轉發深度，防止陷入“三角轉發”的死循環，協議中還規定了同一報文的轉發次數。當轉發次數到達上限時，將該報文視為不可到達，將其丟棄。

3.4 加密算法

由于系統采用無線通信，因此安全性是重要的考慮因素。協議采用階數可變的邊沿檢測型加密算法—Manchester差分編碼。相比普通的加密算法，Manchester編碼能夠自動攜帶相位信號，但缺點是運算量較大、硬件資源消耗量較大、效率最高只能達到50%。改進后應用于組網協議的Manchester差分編碼以電平跳變為相位，有跳變幀的對應編碼為1，無跳變幀的對應編碼為0。因此只需知道第一位數據與每兩位數據的跳變信息就能夠將原信息解碼，大大降低了硬件資源需求和運算量，并且能達到100%的信息傳輸效率。為了彌補由于算法簡化帶來的安全風險，特在無線協議中使用了一種約定式加密階數的方案。設備在剛入網時會以一個隨機的Manchester差分加密階數進行通信，該階數會在重啟或一定時間后自動更換，以降低數據被解碼的可能性，從而保障數據安全。Manchester差分編碼時序如圖8所示。

4 系統測試

本文對家庭智能照明系統進行了詳細測試，發現測試結果符合預期要求。主要測試了下面幾個測試點：

（1）18個節點（包括3個二級節點與15個一級節點）與1個網關節點之間的三層組網過程;

（2）網關節點與子節點間的單點通信，實現對單燈狀態的控制;

（3）網關與所有子節點間的多點控制，實現對區域內所有燈狀態的控制;

（4）二級節點與三級節點之間的轉發過程;

（5）射頻板的穿墻性能。

5 結 語

本文項目設計的無線通信協議基于物聯網通信需求，為其量身定制了一套穩定、高效的組網系統。該系統提供了能夠滿足不同場景下物聯網設備的組網模式，不論設備的檔次高低與規模大小，都擁有良好的穩定性與快速組網能力。同時，其低成本、低功耗的特點也能使物聯網技術更好地發揮其優勢，更好地服務于信息化、智能化的城市建設。

參 考 文 獻

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