基于433無線收發模塊的物聯網智能家居系統設計

涂 亮，段紅光

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

隨著信息社會的發展，網絡和信息家電已越來越多地出現在人們的生活中，而這一切發展的最終目標都是給人類提供一個舒適、便捷、高效的生活環境。如何建立一個高效率、低成本的物聯網智能家居系統已成為當今世界的一個熱點問題。近年來，國際上許多大公司提出了相應的解決方案，但迄今為止，這一領域的國際標準尚未成熟，各國正努力研制適合于本國國情的智能家居系統[1-2]。本文提出了一種適合中國國情的智能家居系統的解決方案。

433 MHz無線收發模塊為短距離無線通信模塊，在智能家居系統中實現傳感器與終端的信息傳遞。由于該模塊的成本極低、睡眠模式不到1 μA的電流消耗、綠色環保小尺寸封裝和極少的外圍部件等特點，勢必在智能家居系統中被廣泛使用。目前中國移動推出的物聯網宜居通產品中，在TD/GSM無線移動座機中增加433 MHz無線收發模塊，完成與傳感器的數據交互，實現安防報警和家電遠程控制功能。

本文使用433 MHz無線收發模塊，設計了一套智能家居系統。該系統包含安防報警和家電遠程控制兩個子系統。

1 系統總體設計

1.1 安防報警子系統

此系統在無線移動座機的基礎上集成了“防火、防盜、防煤氣、老人緊急醫療求助、防劫持”的報警功能，可以對接“防盜探測器、火警探測器、煤氣探測器、醫療求救按鈕”等無線探測器及遙控器。當探測器感應到報警信號時，無線移動座機會自動按照用戶設定的接警電話號碼，分別以短信方式和語音方式及時通知用戶。

1.2 家電遠程控制子系統

通過短信指令或Web控制，該子系統可以實現家電遠程控制。例如：下班路上，只要發一條簡單的短信指令，家中的空調就會提前開啟，深夜回家前發條短信，浴缸就能自動放好洗澡水；甚至只要發條指令給電飯煲，當你踏進家門時，三菜一湯已經做好。

2 系統硬件設計

應用433 MHz無線收發模塊實現設備與終端之間的數據交互，本文研究了433 MHz無線收發模塊選擇Sili?con Labs公司推出的SI1015無線收發芯片。其中對于433 MHz的FSK收發器件，SI1015芯片內部集成了單片機和射頻收發器；外圍器件較少以及超低的功耗，比較適合物聯網產品的開發。該系統硬件結構如圖1所示。當外圍傳感器/家電主控制板監測到有消息發出時，將消息信息和類別傳給設備端的433模塊，433模塊將信息通過天線發出。終端的433模塊收到射頻消息，傳送給終端基帶芯片，基帶芯片解析并進行相應處理，將結果返回終端433模塊，433模塊收到后將信息發出。這是雙方通信的一個基本流程，由此可見，433 MHz無線收發模塊完成了外圍設備和終端之間的數據傳輸。

3 系統軟件設計

為實現安防告警和家電控制的功能，此系統軟件設計方案目的是實現傳感設備、終端和平臺間的互聯互通，流程如圖2所示。

3.1 安防報警433模塊軟件設計

安防報警系統的傳感設備主要包含的產品有“門磁、遙控器、紅外探測器、氣體探測器和煙氣感應探測器”，主要目標是完成防火、防盜、防煤氣、老人緊急醫療求助、防劫持等報警功能。

由于安防產品的長時間使用，且只有觸發告警時，才發出告警信息，此種單向傳輸、數據量小的要求。SI1015芯片睡眠模式不到1 μA的超低待機功耗，保證安防產品一節電池可以工作2～3年時間。

為滿足此要求，433模塊有兩個工作狀態，一個為睡眠模式，另一個為工作模式。在睡眠模式下，SI1015芯片處于睡眠狀態，定時喚醒發出心跳消息告知終端傳感器在位，并打開中斷喚醒功能。在工作模式下，SI1015根據喚醒原因發出不同的射頻消息，其軟件流程圖如圖3所示。

圖3 安防433模塊軟件流程圖

3.2 家電433模塊軟件設計

由于433模塊的功耗對于家電來講影響微乎其微，因此家電遠程控制系統的設計方案并沒用考慮433模塊的省電，讓該模塊長期處于接收狀態和故障查詢狀態。當空調發生故障時，由主控制芯片將故障原因按照規定的協議組裝成數據包發送給433模塊，433模塊將數據發出。當433模塊收到家電控制信息時，將此消息傳給主控制芯片，由主控制芯片解析數據并處理控制命令，然后將狀態反饋給433模塊，433模塊最終將反饋消息發出。其具體的軟件流程如圖4所示。

圖4 安防433模塊軟件流程圖

3.3 終端433模塊軟件設計

相反，對于終端而言，433模塊功耗將直接影響到終端電池使用時間，必須降低433模塊功耗以滿足終端需求。鑒于此，本軟件設計既要睡眠也要保證能接收到數據包。為此，雙方通信MAC層格式規定前導碼發送48 byte，然后是同步字節和有效數據。由數據傳輸率為19.2 kbit/s，可計算出前導碼所需時間為20 ms。這樣，只需保證433模塊睡眠時間小于20 ms，當檢測到有效前導碼時，繼續將數據收完解析并處理；否則進入睡眠模式。

其具體的軟件流程如圖5所示。該軟件設計需使用狀態機，主要有3個狀態：接收，發送和基帶控制。當處于接收時，SI1015完成對RF數據的監控，當有數據時，將其接收完并將狀態變為發送；否則睡眠，并定時喚醒。當處于發送狀態時，SI1015將消息發送給基帶芯片，由基帶完成對消息的解析以及和平臺的交互工作，狀態變為接收，進入睡眠。當終端收到平臺的家電控制命令時，終端主動發出中斷喚醒SI1015，此時SI1015在中斷服務程序中將狀態機變為基帶控制，在此狀態下，SI1015完成接收基帶發出的消息，并將消息通過天線發出，最后將狀態變為接收，進入睡眠。

4 小結

智能家居是人們追求高品質生活的體現，勢必掀起一場人們生活習慣的變革。而433 MHz無線收發模塊非常適合于低功耗、低速率的監視、傳感網絡。物聯網智能家居系統利用433 MHz無線收發技術，為實現成本低廉、準確有效、安全可靠、快速的智能家居系統提供了可能。

圖5 終端433模塊軟件流程圖

[1]苗國耀,程輝.智能家居安防報警系統的設計[J].科技創新導報，2011（11）：55.

[2]施軍,黃衛東.物聯網打造智能家居[J].中國電信業，2010（12）：70-71.