基于RF的智能家居無線通信網絡系統設計＊

姚長標，王超，駱德漢，李智敏，高桂麗

（1.瑞德電子實業有限公司，佛山528300；2.廣東工業大學；3.三環知識產權深圳總部）

引 言

隨著通信技術、網絡技術、控制技術、人工智能技術的發展以及物聯網概念的提出，人們對家居環境的舒適程度和智能化程度要求越來越高，享受物聯網智能家居生活已成為趨勢。早期的智能家居產品通過綜合布線等方式實現家庭內部各種電氣設備和電子系統的連接［1］，來達到對內部實現資源共享，對外部通過網關與外部網絡互聯進行信息交換，但是有線組網受布線難、成本高和可重布置性差等因素的制約而淡出歷史舞臺。近幾年，無線網絡研究在全世界范圍內興起，各種頻段的無線通信技術迅猛發展，對無線智能家居網絡的研究已經成為新的研究熱點。其中，RF、ZigBee、WiFi、藍牙等短距離通信技術在智能家居系統中已得到廣泛應用。然而，如何建立一個高效率、低成本的物聯網智能家居系統仍是亟待解決的問題。

本文提出了一種基于433MHz的無線RF模塊，進行智能家居內部家電設備，組建無線通信網絡的解決方案。433MHz的無線RF模塊以低成本、低功耗、較好的安全性、網絡容量大、穿透障礙物能力強等特點，成為組建智能家居網絡的首選。此設計在達到理想的智能家居功能效果的同時，能夠進一步控制智能家居產品價格，使得更多人可以體驗物聯網智能家居給生活帶來的樂趣和便利。

1 無線通信網絡系統總體設計

圖1為基于RF的智能家居無線通信網絡系統的總體結構圖，系統主要分為兩部分，即安裝在無線網關上的RF服務器和安裝在各家電設備上的RF終端設備。無線網關可以通過安裝在自身的WiFi模塊接收由平板電腦或者是智能手機下發的功能控制或狀態查詢命令編碼，再按照預先制定的RF協議把數據整合后傳遞給無線網關上的RF服務器，RF服務器提取出有用的數據字節后，再經過重組整合并通過射頻模塊發送給無線通信網絡中的各家電設備上的RF終端設備［2］。

圖1 無線通信網絡系統總體結構圖

為了方便平板電腦或智能手機能夠及時地從RF服務器中獲取當前家電設備的狀態信息，RF服務器會不斷對各RF終端設備發送狀態查詢的廣播消息。各RF終端設備可以接收RF服務器下發的數據，通過數據中的產品編號來判斷是廣播消息還是具體控制某一家電設備的消息。若為控制某一具體家電設備的私有消息，各個家電設備上的RF終端設備通過判斷消息對應的數據幀中的產品編號是否與自己的編號一致，若一致則接收數據信息，并通過處理，最終傳遞給家電控制器執行相應操作；否則，不接收數據，不作任何處理。各RF終端設備也會及時地從相應的家電設備控制器中獲取該家電設備的最新狀態信息，以便當其接收到RF服務器的狀態查詢廣播消息時，能夠及時地反饋各家電設備的最新狀態。

2 無線通信網絡系統硬件平臺設計

在智能家居無線通信網絡中，由于操控設備和各家電設備之間所有的控制指令和狀態信息的傳輸都是在室內進行，所以要求選用的無線通信技術要具有較強的穿越障礙物的能力［3］。常用短距離無線通信技術中的藍牙、WiFi、ZigBee等模塊價格較高且都工作在2.4GHz的ISM頻段，穿越障礙物的能力受限，最終導致在控制精度和靈敏度上受到了嚴峻的考驗。而無線RF技術模塊工作在433MHz的ISM頻段，穿越障礙物的能力比上述模塊效果好，且價格低廉、功耗低、傳輸速度快、信息實時性好，非常適合在智能家居中應用。

本文提出一種基于433MHz的頻段射頻技術方案，需要設計相關的無線RF模塊，并用其搭建無線網關上RF服務器和家電設備上RF終端的硬件平臺，進而組建智能家居內部無線通信網絡。其中，RF服務器和RF終端設備的硬件資源完全相同，都是由所設計的無線RF模塊作為信息載體。

2.1 433MHz頻段無線RF模塊電路設計

如圖2所示，無線RF模塊主要由PIC16F726單片機和高度集成的射頻芯片Si4421組成。

PIC16F726擁有高達16MHz的高精度內部晶振、內部8KB的FLASH和368B的RAM、2個8位定時器、1個16位的定時器和1個SPI同步串行口等，其具有低功耗、高速率、低成本和極高的性價比等特點，非常適合在無線小模塊中作為控制器來應用。

圖2 無線RF模塊電路原理圖

Si4421是Silicon Laboratories公司的EZRadio系列芯片，是一顆全集成的單晶片低功耗、多頻道的FSM收發器，是具有彈性、低成本、高集成度，生產中無需統調的產品。它所需的RF功能都集成在一起，外部僅需要一個晶振和幾個退耦電容即可工作，在無須申請注冊的433MHz、868MHz、915MHz頻段的實際應用完全符合FCC和ETSI的相關規定［4］。它的自動頻率控制特性容許使用低精度晶振（低成本），使整個無線RF模塊的成本降到最低，全集成的數字數據處理特性也極大地降低了微處理器的控制負擔。

2.2 RF服務器和RF終端設備電路連接設計

如圖3所示，RF服務器（即無線網關上的無線RF模塊）與無線網關的主控芯片通過SPI接口進行數據交互，其中無線網關主控芯片的SPI接口的NSS引腳功能被釋放，使其變成普通的GPIO口。通過配置主控芯片的SPI寄存器來啟用軟件控制從設備管理，主控芯片SPI接口的NSS引腳在數據傳輸期間被內部自動置為高電平（即配置為SPI主模式），而NSS引腳（普通的GPIO）則可以通過配置GPIO相關寄存器拉低電平，來選擇無線RF模塊這樣的SPI從設備。

圖3 RF服務器電路連接圖

如圖4所示，RF終端設備（即家電子設備的無線RF模塊）也是通過SPI接口與家電設備的主控芯片進行信息交互［5］。RF 終 端設備實時地采集傳感器的數據及狀態信息，接收RF服務器下發的功能操控或狀態查詢指令編碼，并經過整合重組后把家電功能控制信息傳遞給家電設備的主控器，使得家電執行相應的操作和狀態修定，同時也可以及時地把采集到的家電狀態信息反饋給RF服務器。

圖4 RF終端設備電路連接圖

3 無線RF通信協議設計

為了保證無線通信網絡系統能夠準確地進行信息數據的傳輸，設計了無線RF通信協議幀，如圖5所示。每一款家電的功能和狀態信息都會通過這種數據幀格式表達出來。該數據幀共由10字節組成，其中第1個和第2個字節分別固定為0x88和0xAA，它用來證明該數據幀是瑞德電子實業有限公司的家電信息數據，也只有通過這兩個字節的信息驗證，RF服務器或RF終端設備才會接收并進行相應的處理，否則，會認為不屬于有效數據而拋棄［6］。

圖5 無線RF通信協議幀

第3個字節代表家電產品的類型編號，例如0x01代表電磁爐，0x02代表壓力煲，0x03代表風扇等。第4個字節是該數據幀格式中比較重要的組成部分，它又分成三部分，其中7～4位代表家電產品的具體個數；3～2位代表產品的消息體類型，決定了這一幀數據將要執行的具體任務，包括“00”、“11”和“01”三種類型，其中“00”和“11”分別代表RF服務器對RF終端設備發送狀態查詢和動作控制數據幀，“01”則代表RF終端設備在接收到RF服務器的狀態查詢數據幀后對其進行家電最新狀態的信息反饋；1～0位代表產品要執行的功能狀態，“00”代表不預約、不定時的工作，“01”代表預約，“11”代表定時。

第5個字節代表家電產品功能，例如若該數據幀代表的是電磁爐，那么0x01代表關機，0x02代表火力等。第6、7兩個字節要根據具體的家電的功能以及具體的控制要求來變化。第8、9兩個字節固定為0xFF。第10個字節是整個數據幀的校驗的，是上述9個字節的數值進行異或得到的，當RF服務器或者是RF終端設備識別并接收到數據幀的時候，重新計算校驗位的值并與數據幀原來第1個字節的值對比，若相同則證明數據幀有效，否則拋棄。它可以驗證數據在傳輸過程中是否由于某種原因而出現錯誤。

4 無線通信網絡系統的軟件設計

4.1 無線網關上的RF服務器軟件工作流程

為了能夠及時地捕捉到上端控制設備下發的操控或狀態查詢命令的數據幀，及時地把從家電設備上的RF終端設備上獲取的最新家電狀態信息傳遞給上端設備，RF服務器的軟件工作于終端，無線網關主控芯片與RF服務器之間SPI通信的比特率設置為70.312 5Kb／s［7］。已知本文所設計的組網家電共11款，即根據圖5的數據編碼格式，共計有11條對應家電功能狀態的數據幀。按照正常的控制邏輯，上端設備每次只可以對一款家電進行控制。

當無線網關通過WiFi模塊接收到上端設備下發的數據幀后，通過數據重組后，組合成一個包含有11款家電功能狀態信息的數據幀的數據包，并通過SPI通信發送給RF服務器。RF服務器接收到數據包后，判斷該數據包中的11條數據幀中的消息體類型是否有且僅有一個為“11”或者都為“00”，若其中有且僅有一款家電的數據幀中消息體類型為“11”，則把它保存下來，并把它處理成待發送的狀態改變幀并通過Si4421下發出去，其余的10條家電的數據幀則全部舍棄。為了上端設備能夠實時地獲取家電設備的狀態信息，會每隔一段固定的時間對家電設備進行狀態信息查詢。RF服務器程序流程圖如圖6所示。

4.2 家電設備上的RF服務器軟件工作流程

RF服務器下發的控制命令數據幀主要有3種：全開、全關廣播消息數據幀，控制家電設備的全開或者全關；家電設備狀態查詢數據幀，用來查詢各家電設備當前最新的工作狀態；操控具體家電功能數據幀，用來控制某一款具體的家電進行狀態的改變。

如圖7所示，家電設備上的RF終端設備接收到RF服務器下發的數據幀后，判斷數據幀的類型，若是全開、全關廣播消息數據幀，則每個家電設備全開機或者關機；若是家電設備狀態查詢數據幀，則各家電設備按照產品編號順序反饋自己的狀態信息給RF服務器；若是操控具體家電功能數據幀，則每個家電設備判斷接收到的數據幀的產品編號是否與自己的一致，若是，則接收數據并經過數據整合后傳遞給家電控制器執行相應的操作，否則不接收［8］。

圖6 RF服務器程序流程圖

圖7 RF終端設備程序流程圖

結 語

本文提出了一種基于RF的智能家居無線通信網絡系統的設計，該無線通信網絡系統采用低功耗、低成本、高速率的無線RF模塊組建無線網關上的RF服務器和各家電設備上的RF終端設備，進而搭建了整個智能家居內部的無線通信網絡。該無線通信網絡設計既解決了智能家居內部組網及無線操控的問題，又降低了智能家居控制系統的成本，使大多數家庭能夠享受舒適、智能、安全的生活環境。實驗表明，該無線通信網絡系統性能穩定、控制靈敏、抗干擾性強、擴充能力強，具有很好的通用性，非常適合在智能家居系統中應用。

［1］Peter A Dinda，David R O＇Hallaron.Host load prediction using linear models ［J］.Cluster Computing，2000，3（4）：132－145.

［2］楊俊，王潤生.智能化交通化視頻圖像處理技術研究［J］.電視技術，2006，30（9）：74－77.

［3］Kavitha Ranganathan，Ian Foster.Simulation Studies of Computation and Data Scheduling Algorithms for Data Grids［J］.Journal of Grid Computing，2003，1（1）：53－62.

［4］Lou Jiangung，Liu Qifeng，Tan Tieniu，et al.Semantic Interpretation of Object Activities in a Surveillance System［C］／／Proc.16th International Conference on Pattern Recognition，Beijing，2002：777－780.

［5］J Leach.TBSE－An Engineering Approach to the Design of Accurate and Reliable SecuritySysterm［J］.Computer＆Security，2004，23（1）：265－266.

［6］Stepen M.A Model of Information Management for Construction Using Information Technology［J］.Automation in Construction，2001（10）：22－28.

［7］李因東.基于ARM的家庭智能終端的設計與實現［D］.濟南：山東大學，2006.

［8］章捷，彥文俊.無線家庭網絡控制系統的設計［J］.工業控制計算機，2003（4）：40－41.