基于ANDS協議的物聯網模組在智能家居上的應用

鄧海濤 徐基巍

（1.青島澳柯瑪生活電器有限公司 青島 266500； 2.青島澳柯瑪智能家居有限公司 青島 266500）

引言

上個世紀90年代，比爾蓋茨最先提出物聯網的概念，隨著智能科技不斷進步和經濟的高速發展，IOT 物聯網技術逐漸影響到各行各業，與我們的生活息息相關，而智能家居便是以家庭環境為基礎的物聯網技術應用領域。智能家居是以住宅為主體，基于IOT 物聯網、數據云服務、AI人工智能等技術，使家居設備具有集中管理、遠程控制，實現互聯互通、自主學習等功能，廣泛應用于智慧家電、環境管理、安防報警、信息交流、影音娛樂、遠程抄表等方面，與家居生活有機結合，創造便捷、舒適、健康、安全、環保的家庭人居環境。

本文主要是研究一種基于ANDS 協議的物聯網模組在智能家居產品上的應用，綜合WIFI、Mesh、2.4 G 頻段等核心模組自主研發，將產品通過接入數據云端對接，由終端直接控制或家庭網關語音控制等方式進行互聯互通，實現對智慧家電、智能安防、智能健康、智能場景等系統的控制。

1 智能家居產業現狀研究

1.1 智能家居行業的發展

關于智能家居發展階段的認知，智能家居設備發展從智能單品階段起步，是將設備通過感知技術接收信號并做出反應，如Bluetooth、紅外等控制技術，從而實現較為簡單的智能化控制，增加用戶使用便捷性。但由于技術協議無法統一，各單品間孤立分散，功能不突出，使用體驗較差。隨著單品智能化程度的提高以及不同通信協議的互通，以場景為中心的全套智能家居解決方案開始逐漸興起，發展由智能網關為中心的智能化產品，正式進入智能互聯階段，如ZIGBEE、WIFI 等技術[1]。物聯網技術通過遠程手機控制，實現各智能設備間互聯互通，根據不同場景同步轉變狀態，保持家居設備與住宅環境的協調一致，并通過組合構建全屋智能。未來發展階段將以用戶為中心建立在個人數據分析、行為習慣理解、自主深度學習等基礎上，實現自動傳導和數據分析，一切圍繞以人的需求，借助大數據、人工智能、機器學習等技術，智能家居設備構建用戶畫像、理解用戶行為提供準時化、個性化、智慧化的服務。

1.2 智能家居產品技術現狀

智能家居產品技術依托于物聯網、云計算、大數據和人工智能等關鍵技術，這在一定程度上也促進了家電產品智能化設備的開發進程，目前市場上多數智能家居產品仍以單品智能的形式存在，這種單品聯網家電在智能家居系統應用場景和系統升級更新后，難以實現互聯互通，給消費者的使用體驗大打折扣[2]。一些家電巨頭企業則著力打造自有的產品生態物聯網平臺，在其平臺上實現多個產品品類開展縱向合作，畢竟消費者愿意從同一個品牌選擇智能家居產品；也有一些互聯網公司，依據自己的系統軟件開發優勢，以參股不控股的方式投資專注于智能硬件細分領域的初創公司和家電公司，通過一系列模組與設備的相互融合，實現不同家電家居產品的互聯互通，如小米的ZIGBEE 協議模塊、京東的WIFI 協議模塊等。另外，市面上還有一種采用基于窄帶物聯網技術的NB-IoT 模塊和云服務器，設計出了一套從底層硬件到上層云平臺的控制系統設計方案，這種方案具有覆蓋率高、功耗低等特點。采用NB-IoT 無線通信技術，支持多樣化終端設備接入，基于統一規約和接口，實現不同類型終端設備的統一接入和管理，確保互聯互通[3]。但這種連接方式也存在一定的缺陷，比如基于低功耗，導致其只能傳輸少了數據交互，除通信模塊的價格之外，運營商還將收取運營費用，這樣使得用戶的使用成本增加。

2 基于ANDS 協議的物聯網設計方案

2.1 技術設計架構

應用物聯網技術，是用于能夠通過一臺終端或一個語音中控，去控制家中多個智能家居設備，是智能家居發展的方向。但現階段普遍存在的一個問題是這些不同品牌的產品之間存在互聯互通的壁壘。市場上的智能家居設備大都采用植入模組的方式，建立網關模塊，手機終端通過網關控制終端設備進行信息交互，利用特定的通訊協議完成網關與終端設備的無線通信功能，如ZIGBEE 無線通訊技術。這種無線通訊連接必須建立在有芯片模組植入的前提下，才能實現其物聯功能；若遇到無法植入或者對現有的遙控類家電進行遠程控制，就難以實現產品的互聯互通，手機終端設備無法控制智能家電設備。

基于ANDS 協議的物聯網設計是采用多種通訊協議集成的方式，集合WIFI、Mesh、2.4 G 頻段、433、紅外學習和碼庫調用等多協議通訊，通過一臺離在線一體語音主機承載，既可以作為網關中控，也可以進行語音交互，實現終端的遠程操控。項目優勢在于基于自有物聯網ANDS 通訊協議，在通訊芯片的選擇上，采用多重組網結構，進行中控、終端雙層算法的優化，利用了傳統局域網的穩定，又可以充分發揮基于ANDS 物聯網協議的靈活、快捷。這種協議高效穩定，是構建全場景智能家居體系的重要基礎（如圖1）。

圖1 ANDS 協議的物聯網設計框架

ANDS 設計一大核心特點是在這個網關設備上增加紅外學習功能，主要是采用波形拷貝的方式，學習帶有遙控裝置的家居設備，如電視、空調、電風扇、掃地機等。在控制APP 上設計出不同的家用電器分配功能界面，來控制不同的電器，從而進行相應的操作。這種帶有學習型紅外遙控器能夠提供存儲遙控按鍵數據的存儲方法，當進入學習狀態時，能夠接受家電遙控器上的按鍵鍵碼，分析按鍵鍵碼里的引導碼、系統碼以及功能碼，如果記錄成功，便可進行功能控制。引入網狀節點間控制算法，從各節點的傳輸速度、網絡傳輸情況等方面綜合考量，提升節點之間的傳輸能力，使得節點之間可以互補性工作，使得個別主機的故障對全網絡不產生影響，極大提升了工程的可靠性。

2.2 軟件系統設計

ANDS 物聯網的協議優勢，多節點互聯網云端傳輸，避免信道堵塞，節點網狀動態分配，連接穩定，資源分配高效，系統可靠性增強，節點多跳連接，可覆蓋大面積信號（如圖2）。在網關與終端動態分配指令，自動選擇最佳傳輸路徑，網關與終端一層扁平短鏈傳輸，信息高效及時，有效避免延遲與卡死，離在線一體，保證斷網仍可正常使用，閑置資源靜默，保證功耗可控，預留更多功能接口，適合工程定制開發。

圖2 ANDS 軟件系統設計

2.3 硬件模組開發

智能家居系統由人機交互系統、智能網關、智能安防模塊、智能家電模塊、多媒體智能娛樂模塊組成，通過人機交互系統、傳感器模塊與智能網關通訊，智能網關控制各個智能模塊運行[4]。ANDS 協議的物聯網模組采用2.4 G 頻段的通訊模組，其帶有MCU、PA 芯片，與其他無線通訊模塊通過2.4 G 無線通訊。以ZL02-6000-SV17PA 中繼模塊為例，中繼模塊不含PCB 天線（如圖3），模塊工作于2.4 G ISM 頻段，最大發射功率+17 dBm，開闊地無干擾通訊距離可達50 m 以上，能夠自組網，可覆蓋絕大部分家庭戶型，詳見具體技術參數（如圖4）。

圖3 ZL02-6000-SV17PA 中繼模塊外形

圖4 ZL02-6000-SV17PA 模塊技術參數

中繼模塊的連接設計方案以及注意說明如表1。

表1 中繼模塊的連接設計表

模組在進行連接時，應注意輸入輸出串口的連接，串口RXD 和TXD 相對于中控模塊而言，所以與主機連接方式交叉連接，即：中控RXD 連主機TXD，中控TXD 連主機RXD。另外在進行模組連接時，應注意以下幾點：①TXD/RXD 需要增加上拉10 K 電阻；2（VDD）管腳必須接0.1 uF電容濾波。②若產品的設計空間允許，預留調試接口用于智能模組的調試，采用2.54 mm 的4 pin排針，順序為VDD-SWCLK-SWDIO-GND；若產品設計空間不允許，留為焊點即可。改模組具有天線焊點，可直接焊接天線，天線焊點中心點距離為4.5 mm。由于模塊屬于靜電敏感器件，在操作時請遵守靜電防護規則。

3 結論

隨著科技的進步，人機交互、大數據、云計算、物聯網技術的發展，使得智能家居的連接方式、家居產品越來越多。本文提出了一種基于自有物聯網通訊協議ANDS，綜合WIFI、Mesh、2.4 G 頻段核心模組自主研發，將產品通過接入云端對接，實現智能家居互聯互通。本文核心技術與現有技術比較，創新路徑是在自創的理論、模型支撐下的技術實現，為智能家電行業的同類產品的開發和系統設計，提供新的建議和思路。