基于ANT協議的智能家居無線網絡系統設計

安冬輝，史麗軍，朱　博，譚天宇

(1.武漢大學　電子信息學院，湖北　武漢　430072；2.北京師范大學附屬實驗中學，北京 100032；3.湖北工程學院，湖北 孝感 432000)

基于ANT協議的智能家居無線網絡系統設計

安冬輝1，史麗軍2，朱博3，譚天宇1

(1.武漢大學電子信息學院，湖北武漢430072；2.北京師范大學附屬實驗中學，北京 100032；3.湖北工程學院，湖北 孝感 432000)

摘要:分析了智能家居環境中無線通信的特點，從網絡自組織性、抗干擾性、穩定性等方面提出了對無線通信協議的要求。根據ANT協議簡單高效、組網靈活、易于改進的特點，以ANT協議為基礎，結合無線傳感器網絡技術，設計一種包含智能接入、動態路由、自適應跳頻技術的無線網絡系統。通過真實場景實驗，結果表明該網絡系統有效地解決了家居智能接入、家庭網絡安全性、穩定性的問題，提高了網絡的抗干擾能力，其作為家庭無線網絡具有一定的可行性。

關鍵詞:智能家居；ANT；無線傳感器網絡；動態路由；自適應跳頻

1智能家居無線網絡

在智能家居的無線網絡環境中，通信節點數目多，設備種類不一，節點分布不均勻，網絡的覆蓋范圍大。當節點分布比較集中時，如擺放在客廳中各式各樣的家電，無線通信時需要解決信道碰撞、干擾的問題，以及隨之帶來的丟包重連等狀況；分布比較分散時，存在節點與中心網關路由通信不可靠的問題。同時，由于分布不均勻帶來的通信網絡資源分配問題，同樣需要考慮進去。由于智能家居場境的獨特性，無線網絡解決方案一直是智能家居領域的研究熱點。

為與遠程服務器通信，實現智能家居的遠程監控和管理，在網絡中需要設立一個功能強大的網關[1]。家庭網絡中，一般用戶家庭面積在100m2左右，大戶型多為150～300m2甚至更大，家庭通信特別是跨樓層的通信，嚴重受到家庭布局的影響，要保證整個網絡內監測和控制到所有節點，如果單依靠增加發射功率來組建無線網絡，顯然不切合實際，因此，網絡協議需要支持中繼、路由的通信方式。日常生活中，用戶購買新電器和電器維修時有發生，對于用戶來說，將新購買的電器或維修后的電器配置網絡參數加入原有網絡，絕大多數用戶不愿意而且沒有能力完成這個任務。所以無線網絡需要采用自組織的方式，用戶無需關心網絡配置，只需通過簡易的方式如按鍵，由網絡自動識別新節點和失效節點。無論是星型拓撲還是樹形拓撲，家庭網絡對系統的魯棒性要求很高，一兩個節點的崩潰，不會影響整個網絡。例如，路由節點損壞或離開網絡時，必須要有新的路由產生，以免造成通信阻塞、網絡癱瘓；在2.4GHzISM頻道的設備眾多，為防止不法分子利用家庭已有網絡做出傷害用戶利益的行為，網絡通信的數據必須加密，要么硬件加密，要么在軟件層實現[2]。同時，2.4GHz頻段的設備如WiFi發射功率和帶寬較大，網絡會受到一定程度的干擾，網絡協議需要在當通信環境干擾較大時，采取一定的應對措施，如擴頻、跳頻等。在智能家居環境中，一些場景如燈光控制、灶具溫控等對通信延遲要求比較高。

2ANT協議

ANT協議的工作頻段在ISM2.4GHz公共頻段，具有1Mbit/s的空中數據速率，支持多頻率和高密度網絡[3]。ANT協議提供可靠的通信物理層、數據鏈路層、網絡層的處理。ANT協議應用場景包括無線傳感器網絡、遠程控制系統以及智能家居等[4]。

信道和節點是ANT協議中基本概念。節點是組建ANT協議網絡的基本單元[5]，分為主節點和從節點兩種，根據數據的流向來確定。主節點是通信的發起者，從節點接收數據并回復。ANT協議的配置與使用均基于信道[6]，信道連接主、從節點，完成通信。在ANT協議中，節點間通信采用TDMA機制，一條信道的主節點同時可以成為另外一條信道的從節點[7]。ANT協議支持獨立信道和共享信道兩種信道類型，獨立信道為一對一的雙向通信，共享信道支持一對多或者多對一的雙向通信。

3基于ANT協議的無線網絡

3.1網絡拓撲結構

如圖1所示，網絡中有3種通信節點，中心節點、路由節點、終端節點，由這3種節點組建了串狀的智能家居無線網絡。路由節點即簇頭節點，和鄰近區域若干終端節點形成一個簇網絡，中心節點與各簇頭節點雙向通信形成骨干網絡，路由節點則作為簇頭，負責簇網絡內終端節點數據的匯聚、轉發。在該網絡中，中心節點由獨立的硬件設備實現，路由節點和終端節點均為家庭中家居電器的無線通信模塊構成。

圖1　網絡拓撲結構

3.2節點和信道設計

中心節點，即家庭網絡的核心節點，主要完成通信數據匯集、轉發，骨干網絡的通信跳頻；管理路由節點的分配、接入、加密認證。中心節點作為家庭網絡的網關，與外網服務器通信，為建立家庭智能化大數據平臺提供了接入口，同時實現例如用戶遠程控制等功能。在入網前，路由節點和終端節點均為普通節點，根據智能接入和動態路由算法，選擇其中的節點成為路由節點。路由節點負責與中心節點的通信，同時構造并管理簇網絡，包括終端節點的動態接入、數據轉發、通信跳頻。

為避免和解決網絡通信時信道沖突的問題，骨干網絡通信采用獨立信道，信道本身具有TDMA機制，路由節點與終端節點采用共享信道，由路由節點為終端節點分配通信時隙，終端節點只有在對應的通信時隙才能與路由節點通信。路由節點采用共享信道通信，目的在于增強網絡的可擴展性和自組織能力。

3.3網絡關鍵技術

3.3.1智能接入

當有普通節點加進來時，中心節點檢查是否有空余的獨立信道，如果有多余發送入網通知，普通節點收到通知后，發送入網申請連接中心節點入網，成為路由節點；如果獨立信道沒有空余，中心節點不發送入網通知。普通節點在一定時間內沒有收到中心節點通知，搜索附近的路由節點，找到路由節點后，向路由節點申請入網，路由節點將申請上報給中心節點，中心節點驗證成功下發入網回復，普通節點成為終端節點。智能接入解決網絡自組織性的需求， 用戶將家居電器買回家，只需要簡易按鍵操作，即可完成入網。

3.3.2通信加密

普通節點申請入網時，入網申請中包含出廠ID，經中心節點驗證通過，發放對稱密鑰，正式成為路由節點或終端節點。在接下來的通信中，數據通信會被加密，通信雙方利用密鑰解密，加解密算法在此不做研究。節點沒有通過ID驗證時，中心節點或路由節點不發送回復，不再接收該節點后續發送的通信數據包。同時，中心節點定期更新密鑰，防止加密被破解[8]。通信加密有效地增強了網絡的安全性，防止不法分子利用家庭網絡非法入侵，破壞產品功能、毀壞家居，影響用戶生活。

3.3.3動態路由

無線傳感器網絡[9]因其自組織性、動態性、可靠性和以數據為中心等特點在智能家居方面的應用研究存在巨大的潛力，利用無線傳感器網絡技術是目前家庭網絡比較主流的解決方案。智能家居網絡中，節點應盡量避免以較高的發射功率為代價直接發送數據給匯聚節點，造成電磁干擾，而采用多跳的方式將數據匯集后再發送。LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchyprotocol)作為無線傳感器網絡分簇路由協議的經典代表，有很高的參考價值[10]。

簇首選擇策略、簇的形成和簇的更新是無線傳感器網絡分簇路由算法考慮和設計的核心問題[11]。與LEACH協議周期性隨機選擇輪流成為簇頭的機制[12-13]不同，智能家居網絡節點大部分為有源節點，不必過多考慮能量損耗、網絡生存周期的問題，簇頭的選擇是按需產生[14]，即簇首節點通信未受阻時，并不去更新簇，這樣做有效地減少了簇網絡更新次數，降低了網絡通信資源消耗。

簇頭的選擇不取決于簇網絡本身，而是取決于簇頭節點與中心節點信號強度、通信質量，是被動式分簇。當簇頭節點與中心節點通信失聯時，簇頭節點在簇網絡內發送簇網絡更新通知，簇頭和簇內節點進入搜索模式。搜索到中心節點入網通知的節點，向中心節點發送入網申請，中心節點從入網申請的節點中選擇信號強度最好的節點發送回復，收到回復的節點成為新的簇頭節點，完成簇的更新，其流程如圖2所示。

簇網絡的更新有兩種情況，一種是簇頭更新帶來的簇更新，另一種是簇網絡節點過多，各個簇網絡節點分配不均勻時，簇頭節點發布簇更新通知，簇中節點會重新決定從屬的簇，這樣使得各個簇網絡節點數動態平衡。路由節點周期統計簇網絡終端節點的數目，如果數目過多(通信資源緊張，延遲較高，路由節點負荷重)，在簇網絡廣播網絡更新通知。根據相關文獻以及LEACH的實驗證明，簇頭占節點總數的5%時為最優[15]，也就是說每個簇中非簇頭節點(ClusterMember，CM)與簇頭節點(ClusterHead，CH)的數目之比不大于19∶1最優。

圖2　路由節點動態路由流程圖

終端節點[16]連續3次沒有收到共享信道中的數據包時，進入搜索狀態，搜索中心節點的入網通知，或各個路由節點數據，直到搜索成功為止。終端節點如果收到簇網絡負荷大的通知，在空閑時段進入搜索狀態，尋找其他網絡負荷較小的簇網絡加入，如圖3所示。

將分層動態路由技術運用到智能家居無線環境中，利用了無線傳感器網絡多跳自組織的特點，改進了LEACH路由協議簇網絡更新機制，其目的在于保證下層節點與上層節點通信出現斷開情況時，下層節點能夠有效地通過動態路由重新快速回到網絡中。

3.3.4自適應跳頻

大多數情況下，采用ANT協議的無線通信，由于發射接收ANT數據包的有效時間很短，基本上不會受到干擾。但是如果當前通信頻段存在其他發射帶寬、功率較大的設備(例如WiFi設備)，占用大量頻段資源時，不同設備之間的頻率資源沖突、相互干擾的可能性就會大大增加[17]。網絡采用頻率捷變機制(Frequency

圖3　終端節點動態路由流程圖

Agility，FA)解決辦法，當信道受到外接射頻干擾時，通信節點能夠自主地切換到其他頻點[18]，提高了ANT設備在無線通信環境中的共存能力。

目前主流的跳頻方式有計算連續丟包數目和設定RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)干擾閾值兩種，本文將這兩種方案結合起來使用。通信連續丟包數目最為直接，當丟包超過一定數目時，檢測通信頻點的RSSI，如果過高則跳頻。

保證通信雙方完成頻率捷變有兩種途徑，一種是主從雙方計算丟包數的粗同步方案，連續丟包超過一定數目則觸發跳頻動作。依據ANT頻率捷變技術文檔，從節點連續丟包達到一定數目時，認定當前通信鏈路受到干擾，其連續丟包的數目C計算公式如下：

當信道周期參數T<32 768時

C=4

(1)

當T≥32 768時

(2)

式中：T為信道周期參數，信道周期為T/32 768s。例如當T=8 192時，信道周期為4Hz時，連續丟包數目C經計算為8，即從節點每0.25s收到一次來自主節點的數據包，當連續丟失8個數據包時，認定當前通信收到干擾。

在主節點端，主節點發送的數據包均為應答數據包，發送數據包沒有收到回復，則計算為1次丟包。當成功收到回復時，連續丟包計數器清零。當丟包計數值等于跳頻丟包數時，判定當前通信收到干擾，主節點觸發調頻的下一步動作。計算連續丟包數目C的公式如下

(3)

式中：S為搜索超時時間，當從節點在搜索狀態搜索超過S時，關閉搜索信道；T為信道周期參數。例如當搜索超時為24s，T為8 192時，C計算為32，即主節點連續32次未收到回復，則認定與從節點通信收到干擾。一般情況下，主節點的連續丟包數要大于從節點計算的丟包數。這是因為主節點完成一次通信，從發送數據包到收到回復，需要兩次無線傳輸[17]。

另外一種方案是由通信的主節點監測當前通信的RSSI值，如果高于設定的干擾閾值，發送跳頻通知，這是無線通信中實現頻率捷變FA更為普遍的做法。根據網絡信道模型[18]可知

(4)

式中：Pt為發射功率；d為通信距離。在智能家居的環境中，Pt一般設為0dBm，室內情況下d≤8m，RSSI干擾閾值取值在-65dBm左右。檢測RSSI值時，測量取10次當前信道的RSSI值，取測量值中3個最大值，計算平均值，如果大于-65dBm時，認定當前信道存在噪聲干擾，進行頻道切換。這樣有效地減少了由于瞬間干擾造成信道切換的次數。

計算雙方丟包數的粗同步方法，能夠解決信道嚴重受損，通信從節點不能接收跳頻通知的情形。而發送跳頻通知的方法則解決了在一對多情形下的，網絡多同步跳頻問題。綜合以上兩種方案，接下來介紹本文設計的自適應跳頻技術。

當中心節點連續5次發送數據沒有回復，認定和路由節點通信收到干擾，檢查與其他路由節點的通信情況，以及其他頻點的RSSI值。如果與其他節點的通信狀態良好(不丟包，RSSI低于設定的閾值)，則說明問題出在路由節點方面，不予處理，繼續發送數據，直到8次仍無回復，把信道空出來發送入網通知。如果和其他路由節點的通信質量也不好，同樣受到干擾，則獲取其他頻點的RSSI值。在發送跳頻通知后，跳到新的頻點。無論中心節點還是路由節點、終端節點，都有相同的3個頻點，如圖4所示。

圖4　中心節點跳頻流程圖

在路由節點管理的簇網絡中，路由節點連續3次發送數據，某個終端節點沒有回復，認定該終端節點失聯了，檢查與其他終端節點的回復情況，如果大部分良好，不予處理，繼續發送直到5次沒有回復，將該終端節點踢出簇網絡，路由節點自適應跳頻流程如圖5所示。

圖5　路由節點跳頻流程圖

4實驗測試

本文使用Nordic北歐半導體公司的NRF24AP2芯片作為射頻收發芯片，其芯片內嵌ANT協議棧。采用意法半導體ST公司的STM32F103VET6作為主控芯片，組成通信節點，實驗的通信節點如圖6所示。

圖6　實驗節點(照片)

實驗場景中有1個中心節點和18個普通節點，按照一定的規則分布在3間房間內如圖7所示。

圖7　實驗測試場景平面圖

中心節點與路由節點的通信周期為1s，路由節點與終端節點為2s。經過100次收發數據包測試，由中心節點到路由節點的通信平均延遲在1s左右，丟包率3%；中心節點到終端節點的通信平均延遲在3s左右，丟包率5%，滿足智能家居環境的通信要求。

動態路由實驗，在一號房間門口設置障礙物，路由節點與中心節點通信受阻，簇網絡動態更新，圖中的灰色節點成為新的簇頭節點，反復實驗20次，一號房中的節點都能完成簇網絡更新，簇網絡更新時間平均在6s左右。即當網絡通信受到障礙物干擾，或者節點損壞等情況時，網絡能夠在6s時間完成自愈，恢復通信。

跳頻實驗時，使用GNU軟件無線電平臺模擬射頻干擾源，將干擾源放在中心節點附近。初始網絡通信頻點配置為2.439GHz，當通信受到頻帶干擾時，中心節點丟包嚴重，平均在5s左右監測到射頻干擾，中心節點發送跳頻通知切換到新的頻點，路由節點隨之切換到對應頻點，同步時間差在1s左右，通信從受到射頻干擾到回復通信的時間平均在7s左右。

將干擾源放在二號房內，簇網絡通信受到射頻干擾，簇頭與中心節點，簇頭與簇內的終端節點均出現了丟包的情況。簇網絡節點均進入搜索狀態，簇頭的重新選擇為二號房中灰色節點，通信頻率為2.475GHz，耗時平均在6s左右。隨后其他節點收到新的簇頭節點數據，加入該簇網絡，完成簇的更新，從簇網絡收到射頻干擾到簇網絡的更新，30次實驗平均時間在8s左右。即當家庭網絡受到區域的射頻干擾時，該網絡協議能夠在8s時間完成通信的跳頻動作。

5總結

本文從智能家居無線網絡環境的特點出發，提出該環境下無線網絡技術應該考慮的問題。利用ANT協議易于改進、組網靈活的特點以及無線傳感器網絡自組織多跳的路由技術，設計了一套適合智能家居的無線網絡協議，該網絡協議能夠有效地解決家庭網絡安全性、穩定性、自組織性的問題，同時增強了網絡的抗干擾能力、網絡自愈能力。最后經過實際測試，證明能夠作為家庭網絡為智能家居服務，對未來智能家居行業提供了應用參考價值。

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責任編輯：時雯

DesignofsmarthomewirelessnetworksystembasedonANTprotocol

ANDonghui1，SHILijun2，ZHUBo3，TANTianyu1

(1.Electronic Information School， Wuhan University， Wuhan 430072，China；2.The Experimental High School Attached to Beijing Normal University，Beijing 100032，China；3.Hubei Engineering University2，Hubei Xiaogan 432000，China)

Abstract:The demand for wireless communication protocol in smart home environment is analyzed in this paper.Based on the analysis，ANT wireless protocol is simple，efficient，and easy to improve. Combined with the technology of wireless sensor network，a wireless network solution is designed，which comprises intelligent access，dynamic routing，and adaptive frequency agility technologies. The experiment results in actual scene show that， the system has a good performance of anti-interference，and solves the problem of security and robustness in network of smart home. The results prove that the system has reliability，stability and good applications in smart home network.

Key words:smart home；ANT；wireless sensor network；dynamic routing；adaptive frequency agility

中圖分類號:TN919

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.009

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2015CFC770)

收稿日期：2015-11-06

文獻引用格式：安冬輝，史麗軍，朱博，等.基于ANT協議的智能家居無線網絡系統設計[J].電視技術,2016，40(3)：38-43.

ANDH，SHILJ，ZHUB，etal.DesignofsmarthomewirelessnetworksystembasedonANTprotocol[J].Videoengineering,2016,40(3)：38-43.