智能家居RF通信模塊的設計與實現*

曾 艷，程文彬，戴躍洪

（1.電子科技大學機械電子工程學院 成都611731；2.電子科技大學中山學院機電工程學院 中山528400）

1 引言

智能化控制已經在家電領域得到廣泛應用，家電、通信模塊、控制器、客戶端四者之間依次連接通信，以實現客戶端對家電的智能控制。智能家庭網絡可以分為3個部分：外聯網、網關和內部網。外聯網可能是小型局域網、有線電視網絡、GSM（global system for mobile communication，全球移動通信系統）網絡、互聯網等，其中大部分使用相對成熟的通信技術；內部網是一個局域網，用于家用電器及多種設備的互連，大多采用ZigBee、Z-Wave、射頻通信、Wi-Fi等無線網絡技術。

[1]提出家庭內部網絡使用ZigBee技術實現子模塊和主控模塊之間的通信，家庭外部網絡通過GSM的短消息模塊建立移動電話用戶和DSP（digital signal processing，數字信號處理）控制模塊之間的遠程通信。參考文獻[2]提出了基于Wi-Fi和LTE（long term evolution，長期演進）網絡的智能家居方案。由于TD-LTE（time division long term evolution，時分長期演進）系統和無線網絡在2.4 GHz信道相鄰共存，需要采取CSMA（carrier sense multiple access with collision detection，載波偵聽多路訪問/碰撞檢測）/CA訪問機制避免干擾。參考文獻[3]采用Internet作為外部網絡，家庭網絡使用基于Z-Wave技術的無線個域網，由控制器、路由子節點和普通子節點組成。參考文獻[4]提出通過藍牙組建智能家居內部網絡，通過以太網模塊和GSM模塊接入外部網絡。參考文獻[5～7]則選擇433 MHz無線射頻技術實現家庭內部網絡。參考文獻[8]設計了一套基于STM32單片機的智能家居控制系統，該系統結合了Wi-Fi無線通信、傳感器、RF（radio frequency，射頻）、IR（infrared radiation，紅外線）等技術。用戶使用上位機（手機或個人電腦）通過Wi-Fi訪問STM32單片機，實現對家電、窗戶窗簾、門禁信息等的本地和遠程無線智能控制。控制系統根據各個控制模塊的特點選用適用的通信控制方式。

目前各種無線傳輸技術均存在一定的問題[9]：ZigBee技術功耗低但技術不夠成熟，并且無線收發器CC2530（工作在2.4 GHz）的價格是CC1101（工作在433 MHz）價格的1.5倍；Wi-Fi功耗大，并且普通的控制芯片不能滿足Wi-Fi高速的數據傳輸要求；ZigBee和Wi-Fi均工作在2.4 GHz頻段上，采用CSMA/CA訪問機制避免干擾，增加了通信成本；藍牙時延大、成本高。因此，本文采用射頻無線通信技術[10]，具有功耗小、成本低、組網自由和傳輸距離遠等特點。

2 基于RF通信的智能家居體系架構

基于RF通信的智能家居體系架構如圖1所示，包括應用層、網絡層以及終端控制層。應用層負責用戶登錄、安全認證、人機交互界面、數據管理和處理；網絡層涉及數據傳輸、數據加密以及防沖突技術；終端控制層包含驅動模塊和微控制器。本智能家居系統增加了防沖突硬件、防沖突層、數據合成和數據加密算法4個部分，加強了防沖突功能和數據安全性。

本系統的通信控制過程為：用戶通過客戶終端（電腦、Pad、手機等）輸入操作命令，網絡端控制器接收用戶命令數據，處理后通過RF通信模塊發往家庭終端（受控制的節點），家庭終端根據規定協議解析數據，執行相應操作并返回家電狀態數據。

3 RF通信模塊的硬件設計

3.1 通信模塊的硬件設計

該RF通信模塊的框架如圖2所示。家庭終端主要由微控制器STM8S103F和無線收發模塊組成，無線收發模塊由RF無線射頻芯片CC1101和天線組成；網絡控制端由高性能控制器和無線收發模塊組成。

STM8S103F3是高性能的8 bit通用控制器，具有抗干擾能力強、可靠性高、成本低、性價比高等特點[11]；具有8 KB的flash程序存儲器，610 byte真正的數據存儲器EEPROM和1 KB的RAM（random access memor），滿足存儲家電信息數據的需求；具有強大的I/O功能，硬件接口豐富，滿足監控家電狀態的需求；該控制器比51單片機的價格更低、性能更穩定、運算速度更快。CC1101是一種低成本真正單片的UHF收發器，為低功耗無線應用而設計[12]。CC1101具有可編程控制的數據傳輸率，可達500 kbit/s；可編程控制的輸出功率，對所有的支持頻率可達+10 dBm，具有低電壓供電、低功耗、收發距離遠、穿透能力強等優點，滿足系統成本低、開發難度小的要求。

目前通信模塊與家電之間的連接端口眾多，電平往往難以兼容，極大地限制了家電與通信模塊的匹配標準化進程。本文RF通信模塊與家電之間采用簡潔的四線制通信方式，可兼容5 V和3.3 V電平，有利于智能家居RF通信模塊在本技術領域的標準化。

3.2 通信模塊的通信及控制

家庭終端STM8S103F微控制器主要執行兩個任務：通過SPI口控制CC1101無線收發信息、四線制查詢或控制家電狀態。工作流程為：上電初始化設置T0定時器和開啟外部中斷0；周期性采集家電狀態信息，通過與存儲信息比較，若發現家電工作狀態出現異常或改變，則將數據封裝成固定格式幀，通過CC1101發射數據，上報網絡層；當網絡層有命令向家電端發送時，CC1101接收完數據后，產生脈沖信號觸發MCU外部中斷0，微控制器讀取數據，解分組后根據命令對家電進行相應控制，并且回發狀態信息。本系統RF通信工作在433 MHz頻段，無需授權許可。

網絡端控制器主要負責家庭終端與服務器端的數據傳輸以及數據處理。

4 通信模塊的軟件設計

4.1 通信設計流程

RF通信模塊的設計與實現過程主要包括：首先研究RF防沖突與高安全的標準、設計RF通信模塊的數據結構，其次根據RF的方法論設計RF模塊的流集合，然后根據規范設計實現RF通信模塊高頻驅動層和RF通信模塊數據接口層，最后根據硬件RF特性，實現整個RF防沖突高安全模塊。圖3描述了RF防沖突高安全通信模塊的設計與實現過程。為了保證該模塊的可靠性和復用性，在實現完成之后需要進行測試和分析，以便檢查和改正整個設計實現過程中出現的錯誤。

4.2 通信實現過程

（1）RF通信模塊的實現

RF通信模塊的基本功能主要包括數據的發送和接收[13]。如圖4所示，在發送數據時，接口層負責將上層要發送的數據組裝成符合RF規范格式的RF協議層數據單元，調用RF_Transmit()將此數據幀交給驅動層，再由驅動層調用RF_DriveWrite()啟動控制器的傳輸請求。將數據放入模塊FIFO緩沖區，等待硬件空閑時再將其發送出去。發送成功后，會向上層模塊以回調函數的形式發送一個成功確認，當發送方收到這個確認后表明一次發送動作已經成功。

圖3 RF通信模塊的設計流程

圖4 發送和接收數據流程

在接收時，首先由驅動層調用RF_DriveReceive()，以中斷的方式告知應用層；然后調用RF_ReceiveLen()獲取數據長度，判斷是否有數據；再調用RF_DataReceive()讀取數據，對數據的合法性進行檢查，等待發送應答數據的到達，提取有用的數據。在接收過程中如果發現錯誤，便會調用相應的處理函數，并停止向上層告知數據的到達。

（2）STM8S103F的實現

由于STM8S103F的串口不具有硬件緩沖區，當接收FIFO寄存器溢出后，新數據可能無法存入接收FIFO。針對這個問題，本系統采用模塊FIFO緩沖區，即用軟件模擬FIFO緩沖區的設計方式[14]。STM8S103F具有1 KB的RAM（random access memory，隨機存取存儲器），可以預先設置兩個緩沖區Buf_TX和Buf_RX，用于存儲待發送數據和接收數據。通過修改每個緩沖區的讀、寫指針，改變緩沖區的使用位置。

（3）RF防沖突高安全模塊的實現

目前RF模塊發送數據前，不檢測空間是否存在相同頻率的電磁波。在已有電磁波的情況下，向空間發送同頻電磁波，將會對已存在的同頻電磁場產生干擾，同時不能保證自身的數據能夠被目標RF設備完整地接收。通過檢測空間是否存在同頻電磁波，做出即時發送數據或者時延發送數據的決定，有效地達到防沖突的目的。

防沖突的實現過程是：首先確定是否需要發送數據；若需要發送，則檢查是否有同頻電磁波；若有，等待時延時間到達，再檢查同頻電磁波；直到無同頻率的電磁波，才發送數據；收到目標RF模塊應答后才表明發送完成；發送完成后，等待下一個數據發送[15]。防沖突流程如圖5所示。

在安全方面，采用新的雙滾碼加密算法，每次的數據傳送都有雙滾碼雙加密的數據成分，在通信安全方面得到了進一步的升級[16～18]。

5 數據通信協議

考慮到家庭網絡中的數據傳輸量很小，不需要很寬的傳輸帶寬。因此家庭網絡采用特殊的低速傳輸協議，低速傳輸協議數據的完整性強，系統更穩定，成本也更低。RF通信是通過輻射到空間的高頻電磁波傳播信息，受空間干擾較大。因此設計RF通信協議時，需要考慮數據校驗，提高通信性能，減少偽數據和噪聲的干擾[19]。本文中，RF通信采用固定的數據分組格式，幀數據主要包含地址信息、控制信息和數據信息，如圖6所示。

圖6 存儲在TX FIFO中的數據分組格式

·地址信息：目的地址和源地址用于區分終端和控制端；家庭編號用于確保家庭設備地址的唯一性。

·控制信息：幀編號用于控制通信流程，記錄發送幀和應答幀；幀類型記錄控制端對終端的查詢和控制操作信息以及終端對控制端的入網申請、報警、確認操作等信息。

·數據信息：記錄家電的狀態信息。

CC1101內置硬件支持數據分組傳輸協議，可以自動為存儲在TX FIFO的有效數據載荷添加前導字節、同步字節以及可選的用PN9序列寫入數據、前向誤差編碼和插入數據、CRC。最后傳輸的數據幀格式如圖7所示。

圖7 RF數據幀格式

在發送模式下，調制器最先傳送可控字節的前導字節（010101序列，推薦4 byte），前導字節傳送完畢后傳送4 byte（或2 byte）的同步字節，然后傳送TX FIFO中的有效載荷，最后計算所有TX FIFO中數據的檢驗和，發送2 byte的CRC。

6 實驗測試

實驗測試：發射功率為-10 dB以下時，穿透能力較差，信號強度弱，不能滿足家庭多房間通信的要求；發射功率高達10 dB時，傳輸距離達40 m以上，考慮到家庭使用環境，功率過大會造成干擾，所以-5～5 dB的發射功率最為合適。當發射功率為0 dB時，電流消耗為16.1 mA，傳輸距離為15 m左右，可穿透室內墻壁（樓層間為鋼筋混泥土材料，對無線傳輸干擾較大，有利于防止鄰居間設備頻率干擾）。當數據傳輸率為250 kbit/s時，接收器靈敏度為-88 dB，數據分組誤碼率為1%，滿足系統要求。

7 結束語

智能家居終端設備的極大差異，造成內部網絡形式多種多樣，存在網絡接口不統一的問題。本文首先介紹了基于RF通信的智能家居體系架構，其次針對接口不統一問題設計了四線控制家電的RF通信模塊，該模塊接口簡單，具有高兼容性。通過自定義的RF通信協議，實現了家庭內部射頻通信。最后，實驗測試證明該模塊可以實現收集家電信息、協議封裝、數據收發、控制家電狀態的功能。

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