家庭物聯網無線技術研究

李爭祥 宗海舟 占建龍

（通標標準技術服務有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著無線傳感網絡的發展，基于物物相聯的物聯網（Internet of Things,IOT）引起了國內外研究人員的廣泛關注。物聯網發展迅速，智能家居是物聯網發展的重要表現方面，得到了國內外學者的廣泛關注。隨著物聯網理論的深入發展，由于物聯網具有成本低、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勢。無線網絡非常靈活，且安裝方便、容易排線布局，非常適合在家庭網絡中使用?？梢灶A計，無線傳感技術會進一步智能化，在家庭無線網絡中能夠快速發展[1]?；诩彝サ奈锫摼W無線通信技術本質上還是無線傳感網，現實場景中的應用主要包括組網模式、訪問控制、路由數據轉發及跨層實際等核心技術，除了這些無線傳感網絡的共性理論和技術之外，家庭物聯網無線通信系統還具有自身的特點，如低功耗、可靠傳輸、實時通信、可擴展的無線測控網絡系統等[2]。隨著物聯網的快速發展，環境數據的泛在化能夠被物聯網全面感知，物聯網技術可以在網絡上進行數據集成和設備管理。物聯網家居系統能夠對環境進行評估，跟蹤家居環境中的各個家電位置，對家居中的家電進行實時監控。由于物聯網技術具有自組織、技術實現方便、部署靈活等優點，為家庭居住者提供更加智能、便利、安全的生活環境。

1 家庭物聯網關鍵技術研究

在家庭物聯網中無線網絡具有傳統傳感器網絡的典型特征，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，這種遮擋會使網絡出現數據傳輸沖突、干擾等問題。該文根據傳統的傳感網絡技術理論，分析在物聯網、智能家居環境下對無線通信網絡的要求，對智能家居無線通信系統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的目的主要是在家庭物聯網環境下搭建網絡框架，在網絡建構過程中主要研究信道分配技術及信號可靠性傳輸。該文研究了一套面向應用和家庭物聯網的無線通信系統，其關鍵技術包括信道分配技術、多跳路由傳輸技術、介質訪問控制技術等。

圖1 家庭物聯網功能框圖

1.1 信道分配技術

每個無線信道的數據質量由信道探測決定，信道探測后將結果輸入信道模型進行分析。滿足正常組網的數據傳輸網絡要求，在選擇信道時從現有信道地址中選擇最佳的無線信道地址。網絡通信時，判斷當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的正常通信，把現有信道從可通信信道中移除，重新選擇最佳質量信道作為現有網絡使用的通信信道。該過程可以保證無線通信網絡的可靠性傳輸?；贗EEE802.15.4 通信協議，該研究選取2.4G 通信頻段，2.4G 是全球免費ISM 頻率，在家庭環境中抗衰減能力強。

1.2 多跳路由傳輸技術

當前的物聯網系統通信數據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據連接，因此發送到網關的數據必須可靠，并且上述過程必須以較低的開銷完成該過程[2]。為此，路由技術必須考慮許多問題，例如在內部質量檢測技術和替代技術之間切換。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。路由技術由許多模塊組成，如鏈接評估、數據檢索、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：穩定性評估和靈敏性評估。穩定性估計用于維持通過網絡傳輸數據的常規方法，而靈敏性估計用于提供實時數據?？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點發送消息。如果由于故障或連接級別降低導致路徑丟失，需要立即切換到另一個路徑以便繼續跟蹤系統的實時數據。

圖2 路由技術原理圖

1.3 基于混合式介質訪問控制技術

介質訪問控制技術的目的是為了解決同一信道存在網絡競爭的問題。目前，主要有2 種方法來解決網絡中的信道競爭問題:基于載波偵聽的CSMA 和基于時分多址的TDMA。分析2 種不同的介質訪問控制技術，對比其優缺點，該文采用CSMA 和TDMA 結合的混合組合方式，充分利用載波偵聽可擴展的優點和時分多址的無沖突特征，這樣可以提高家居物聯網無線通信系統的可靠性傳輸和實時性傳輸。對于無線休眠設備，喚醒之前在TDMA 工作時隙開始時重新啟動正常操作。物聯網設備發送數據，信道第一步是進行CSMA 載波偵聽，假設偵聽到信道空閑，開始發送數據，反之將數據隨機退回到某一空閑時隙并重新進行CSMA 等待數據的下一步發送。在家庭的家居物聯網通信環境下，不同家電的通信采用時分多址訪問控制技術，可以做到不同的設備之間不會存在互相干擾的現象，但是同一類別的無線設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。當回退成功時，網絡會記載該過程中的回退次數，以便為下次遇到網絡競爭時能夠為隨機回退提供參考[3]。

2 家庭物聯網無線通信系統硬件設計

家庭物聯網中無線通信模塊的設計屬于硬件設計。在硬件平臺的選購中，需要結合智能家居的特殊控制需求，在滿足這些需求的基礎之上，選擇性價比較高的平臺設備，比如市場中有價格優勢而且市場占有率也較高的設備。通過調查研究，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 的技術參數：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 標準接收器的雙通道串行數據輸入，在QPSK 調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。在功能設計上，系統的主要對外接口有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、設備配置類型、發射功率、網絡ID 等多種設備參數。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對網絡進行自組織修復，使用SCSCNopa 能夠自動檢測網絡節點，不需要任何外在的干預，能夠自行對網絡進行維護和修復，從而達到穩定通信網絡的目的。當在無線通信中對網絡節點進行添加刪除移動等操作，網絡依然能夠借助SCSC-Nopa 模塊繼續工作，從而不會影響整個無線通信系統的工作，保證可家居物聯網環境下各個家電智能設備的正常運行。4）網絡容量大。SCSC系列模塊目前支持的最大路由區域為5 級，具有路由功能的區域允許多達20 個節點。5） SCSC 系列模塊的低功耗設計可適用于智能家居環境。

2.2 省電模式

Zigbee 協議定義了3 種類型的節點，每個類型是不同的配置模式：配置區決定了網絡配置。Zigbee 網絡上只有一個 Zigbee 協調器。 Zigbee 路由可以實現數據傳輸。Zigbee網絡支持路由器節點和網絡節點。Zigbee 端點對內存大小和速度性能的要求較低。所有設備都可以與操作系統的組件完全通信。配置區、路由器節點和子節點都可以是全功能區，但半功能區只能是子節點。全功能區與其他全功能區和半功能區進行組合，可以進行正常通信[4]。家庭物聯網中，根據智能家居要求的功能特點，要求該系統的低功耗節點是子節點。該子節點可以通過定時和外部中斷進行喚醒。

3 家庭物聯網無線通信系統軟件設計

Zigbee 網絡協議由 Zigbee 聯盟制定，根據標準協議IEEE802.15.4 指定了Zigbee 的物理層和鏈路層。它有如下特征：1）低數據傳輸速度。對于大多數低數據傳輸請求，速率只有10kps～250kps。 2）低功耗。根據低功耗，2 節固態電池可使用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 的獨有優勢[4]。3）成本低。交付率低，通信系統簡單易實現，軟件設計簡單，成本可控。而且不收取專利費用。4） 最大網絡容量。最多可支持6500 個節點。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。對于特殊應用，可根據當前要求調整傳輸容量（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）工作頻段設置方便。無線通信系統系統主要有主機節點和外圍控制區。高級控制模塊可以完成發送和接收網絡配置和信息管理，控制工具專門用于控制各個受控端的觀看信息。創建管理信息以創建有效的家庭管理。這種通信協議的網絡維護方法簡單易用，網絡安全和傳輸非常容易，并且能夠保證網絡數據的可靠性傳輸。

3.1 工作流程

3.1.1 一級入網過程

將Zigbee 協調器打開之后，把用戶設備的登錄信息上傳到無線通信系統中。此時網絡的外圍節點能夠監聽廣播信息，根據廣播信息來判斷網絡與該機網絡的標簽是否一致。經過對比分析，如果監聽到信號強度高于設置好的門限值，則分配網絡地址發送入網成功報文和網絡地址與目的地址的對應表[5]。同時表明設備成功訪問網絡，此時成功訪問網絡包括設備的網絡地址，網絡接收到該命令才表明設備訪問成功。反之，入網失敗。

3.1.2 二級入網過程

一級路由節點成功入網后，會定期發布周期性的廣播入網信息。連接到網絡的外圍連接不偵聽傳輸的信息并指示網絡標識是否相同。判斷相同，即接收到的設備信號強度大于預設門限值，網絡就會將一級路由節點發送命令進入網絡。管理層首先指揮網絡進入應用程序，并判斷網絡本身是否被標記。如果信號強度相同，則確定信號強度是否大于預期。如果比預期長，網絡就會重新指派新的訪問地址，發送輸入指令，并保存與網絡地址和物理地址對應的關系表。如果小于該值，則發送失敗的網絡輸入命令。一旦提交時間結束，訪問成功的設備會把相應的網絡地址和物理地址發送給Zigbee 協調器，設備的位置信息也包含在其中。網絡對各個設備的位置分配不同的網絡地址，主要是根據節點類型進行匹配的，節點類型主要包括路由節點和葉子節點[6]。進入三級網絡和三級節點的過程與進入二級局域網的過程相似。

3.1.3 網絡維護

一旦子節點插入到網絡，它總是會向網絡中的父節點發送該設備的網絡存儲信息。對網絡進行維護時，會自動發送傳感器信息和子節點位置信息。 當父節點收到這些網絡維護信息時，自動收集網絡維護信息并上傳給Zigbee 協調器。如果父節點在連續4 個周期內沒有收到子節點的網絡維護信息，需要判斷該子節點是否從網絡中掉線。

3.2 程序流程

操作系統使用多個線程并使用事件觸發機制來實現性能。設置類型：協調器節點、路由器節點和終端節點。不同的初始化方式有不同類型的選項。節點信息的初始化包括本地地址、網絡地址、網絡ID、定時發送網絡信息的時間、時間分配、傳輸功率等。開始時間包括CSMA 過期時間、網絡廣播時間、預發布時間、端口時鐘時間、同步時間等。接收到beacon 處理：在網絡訪問為空時設置，在網絡連接結束時執行同步功能，網絡連接兼容，網絡連接不活動且連續信號強度大于預期。對接收到的數據進行排序：接收到的信息會有緩沖區分組，用于同時接收多個數據集，分別對緩沖區信息進行處理。使用不同的命令數據方法和數據幀，執行另一個過程來建立網絡安全信息。數據傳輸：一旦發送的數據被打包成標準格式，就會觸發數據傳輸功能。串口信號配置：如果要處理串口數據，會根據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，例如設備的物理地址、網絡信號、傳輸功率等其他信息。按鍵系統：根據各自的功能使用不同的按鍵。

3.3 數據幀結構

通信系統軟件可以通過串口調整配置模塊的設置。在網絡接入管理中，節點具有本地和遠程配置切換功能，可以請求遠程節點狀態并控制信息的發送和接收。2 個節點都可以使用。通過對設備的配置來執行其安裝工作。該數據系統可以進行節點和非節點之間的數據交互，可以通過串口和超級終端命令設置模塊參數。無線模塊根據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。如果不加以管理，可能為非正常通信狀態。

該系統軟件設計使用Zigbee 串口命令集，集成了幀格式，包括幀頭、數據幀、位視圖3 個區域。幀頭為單字節，固定格式為 0xaa。 全局幀數據是可變的，最大254 字節。校驗位為單字節，接受特殊的OR 異或方法，即利用異或方法找到結構或所有幀格式數據。列出特定幀格式的活動數據，包括3 個類別，即命令、長度和相關數據。對于用戶要執行的命令來說，高字節必須讀寫，低字節代表命令。

4 結語

該文完成了家庭物聯網關鍵技術的研究工作，重點針對現有家庭物聯網環境中無線傳感器網絡在當前應用中存在的不足進行研究和改進，比如沒有實時監控到外圍節點是否始終在網、外圍節點維護不便等問題。該文僅對家庭物聯網智能家居的無線通信系統做初步探討。隨著傳感器技術、微電子技術、通信與網絡技術、軟件與信息處理技術的飛速發展，物聯網技術將不斷發展壯大，并得到越來越多的應用。智能家居在物聯網中得到廣泛應用，應用前景廣闊。