“智能家居”（smart home)又稱智能住宅，它利用先進的計算機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)與傳感器技術(shù)等，把家中的各種設備有機的結(jié)合起來，優(yōu)化用戶生活方式，方便用戶管理設備，并能通過場景設定使多個設備間形成聯(lián)動。

家庭網(wǎng)絡的分層結(jié)構(gòu)中，整個系統(tǒng)分成5 層：

物理媒體層（Media），底層協(xié)議層（Protocol）、應用程序接口層（API）、應用程序?qū)樱ˋPP）和最終用戶接口層（UI）。其中第一、二層標準已經(jīng)頒布并在實際中應用；第三層（API）是家庭網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，是當前業(yè)界研究的熱點；第四層是應用程序?qū)樱窃诘谌龑拥幕A上由技術(shù)人員開發(fā)的各種應用程序；第五層是各種用戶接口（UI）工具，包括各種遙控裝置、應急開關(guān)、求助按鈕以及其它可視接口設備，對整個系統(tǒng)性能的發(fā)揮和使用至關(guān)重要。本文主要針對第三、四層結(jié)構(gòu)，設計符合智能家居系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 總體設計方案

圖1 中ARM 主控制器作為智能家居遠程Web服務器，通過以太網(wǎng)芯片ENC28J60接收遠程控制數(shù)據(jù)包，完成數(shù)據(jù)解析后通過射頻模塊發(fā)送控制命令，延時并接收節(jié)點應答數(shù)據(jù)，將應答數(shù)據(jù)以json數(shù)據(jù)格式（一種數(shù)據(jù)保存格式）通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送局部更新Web信息，達到監(jiān)測控制家居環(huán)境的效果。

1.2 控制單元

控制單元采用ARM 微控制器STM32F103RBT6，Cortex-M3 內(nèi)核，64引腳LQFP封裝。具有128K字節(jié)的程序存儲空間，20K字節(jié)的RAM，最高工作時鐘72MHz，具有豐富的片上資源，有7通道DMA控制器，能夠支持SPI，USART等外設。適合低成本，低功耗的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與設計。

圖2 中，該芯片通過SPI串口共連3外設：SD卡接口、以太網(wǎng)芯片ENC28J60以及射頻模塊芯片nRF24l01.ARM 微控制器的PA4-PA7口分別作為SD卡的片選信號，時鐘信號引腳，MISO和MOSI口；PB12-PB15分別作為以太網(wǎng)芯片ENC28J60的片選信號，時鐘信號引腳，MISO和MOSI口；PC6為射頻模塊RX/TX模式使能端，PC7為SPI使能引腳，PC10-PC12分別作為射頻模塊nRF24L01的MOSI，MISO和時鐘信號引腳，結(jié)合MCS-51單片機的微控制應用能力，設計了一種簡單、實用的嵌入式智能家庭網(wǎng)關(guān)及終端控制方案。
1.3 射頻通訊單元

接收部分采用無線射頻模塊nRF24l01，該模塊在2.4GHz全球開放ISM頻段使用；最高工作速率2Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強；共有126個頻道，滿足多點通信和跳頻通信的需要；內(nèi)置硬件CRC 校錯和點對多點通信地址控制［9］。其中至少兩個模塊組成了通信系統(tǒng)，圖3中，一個作為主控制器數(shù)據(jù)發(fā)送端；其它作為節(jié)點設備數(shù)據(jù)接收端。接收端完成命令數(shù)據(jù)接收，依據(jù)命令內(nèi)容聯(lián)動對應設備；完成命令后節(jié)點射頻模塊進入發(fā)送狀態(tài)，返回當前節(jié)點設備狀態(tài)。

2 軟件設計

2.1 射頻工作模式選擇

nRF24l01射頻模塊的收發(fā)模式有三種：EnhancedShockBurst TM收發(fā)模式、ShockBurst TM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種。Enhanced ShockBurst TM收發(fā)模式由器件EN_AA寄存器配置內(nèi)容決定。

在Enhanced ShockBurst TM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)從微控制器低速送入，高速發(fā)射，速率為1Mbps，通過這種節(jié)能方式即使使用低速的微控制器也能得到很高的射頻發(fā)射速率。并且與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行，這樣有三大優(yōu)點：節(jié)能；系統(tǒng)費用低；數(shù)據(jù)空中停留時間短，抗干擾性高。同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送接收流程

2.2.1 主控制器射流程

本文設計的無線通信系統(tǒng)是在同一信道下，初始狀態(tài)下只有一個發(fā)射節(jié)點，多個接收節(jié)點，主控制器射頻流程如圖4.

（1） 等待網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的到來，nRF24l01射頻模塊啟動發(fā)送模式，在配置信道上通過廣播方式發(fā)送，延時50ms，保證每個從控制器都能接收數(shù)據(jù)包。

（2） 數(shù)據(jù)發(fā)送完成后射頻模塊立即配置為接收模式，接收從控制器設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)幀，并定時2秒，超時或成功接收從控制器設備應答數(shù)據(jù)則重新自動配置成發(fā)送模式并返回第1步，防止射頻模塊全部進入接收模式出現(xiàn)互鎖“假死”狀態(tài)。

（3） 如果成功接收從控制器設備應答數(shù)據(jù)，射頻模塊進入等待狀態(tài)。

2.2.2 從控制器射頻流程

所有接收節(jié)點接收該數(shù)據(jù)包，并對該數(shù)據(jù)包的驅(qū)動接口數(shù)據(jù)進行解析校對，比如接收地址匹配，命令碼，操作文件？有匹配節(jié)點則進入驅(qū)動應用程序并執(zhí)行操作。該射頻模塊多數(shù)情況下處于接收模式，具體流程如圖4：

（1） 從控制器節(jié)點nRF24l01射頻模塊配置成接收模式，直到接收數(shù)據(jù)包。

（2） 對數(shù)據(jù)包的驅(qū)動接口部分進行解析，接收地址是否匹配，如不匹配則返回步驟（1），再判斷命令操作碼及文件標志，如出現(xiàn)非法操作碼或文件標志，則返回步驟（1），有對應驅(qū)動接口則進入驅(qū)動應用程序。

（3） 根據(jù)輸入的應用數(shù)據(jù)（記錄控制數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)），操作設備將設備狀態(tài)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)幀。完成后，射頻模塊配置進入發(fā)送模式，將發(fā)送數(shù)據(jù)幀返回主控制器，并延時1秒。

（4） 判斷是還發(fā)送成功，失敗則重新進入步驟（1），成功則結(jié)束，同樣進入初始化狀態(tài)。

3 無線通訊協(xié)議

智能家終端設備品種繁多，且功能不一，不同設備要進行統(tǒng)一控制，必須對各種設備進行抽象處理，提取它們的共同特征?？梢园呀K端設備抽象成文件，在控制端分配一塊內(nèi)存描述該設備當前狀態(tài)，利用設備控制方法讀取或修改當前狀態(tài)，控制方法可分為三類：文件讀?。≧ead），文件修改（Write），文件控制（Control）。

Read：讀設備文件操作，即對節(jié)點設備狀態(tài)掃描查詢，程序設計API如下：

void drv_lit_read（rxp_cmdreq req）以上為讀設備API入口，參數(shù)req為結(jié)構(gòu)體指針，寫、控制設備操作類似。

Write：寫設備文件操作，即對節(jié)點設備狀態(tài)修改，程序設計API如下：

void drv_lit_write（rxp_cmdreq req）Control：控制設備文件操作，即對節(jié)點設備狀態(tài)的調(diào)節(jié)。程序設計API如下：

void drv_lit_cnt（rxp_cmdreq req）并不是所有的文件都支持這三種控制方法，多數(shù)文件只支持前兩種控制方法，下文以燈控設備為例。

3.1 通訊協(xié)議

無線射頻模塊nRF24l01對應收發(fā)模式的數(shù)據(jù)有效負載最大為32個字節(jié)，該數(shù)據(jù)包作為一幀數(shù)據(jù)，其中可分成三類數(shù)據(jù)：驅(qū)動接口數(shù)據(jù)，記錄控制數(shù)據(jù)以及記錄數(shù)據(jù)，輸入幀與輸出幀數(shù)據(jù)類型相同。數(shù)據(jù)格式如表1.

（1）驅(qū)動接口數(shù)據(jù)。

Dest：接收端地址，1字節(jié)表示，屬性值從0-255，可以表示256個節(jié)點地址，滿足多數(shù)智能家居的節(jié)點資源。

Src：發(fā)送端地址，1字節(jié)表示，與Dest 意義相同。

Cmdid：節(jié)點命令碼，1字節(jié)表示，如上文表示，共有三種類型：0x01，表示讀命令（read）；0x02，表示寫命令（write）；0x03，表示控制命令（control）。

節(jié)點即對應從控制器編號。

Fileid：文件標志符，1字節(jié)表示，即節(jié)點地址上對應的設備號，最大支持0x00-0xFF 256個文件。

（2）記錄控制數(shù)據(jù)。

Result：操作結(jié)果碼，1字節(jié)表示，當有數(shù)據(jù)返回時，要求填寫該字節(jié)。0x00，操作成功；0x10，非法節(jié)點；0x11，非法文件標識符；0x12，非法初始記錄值；0x13，非法記錄。0xFF，默認無效值。

Start：記錄開始值，1字節(jié)表示，當有多條記錄操作時，該值即對應的記錄序。

Len：記錄長度，1字節(jié)表示，當作為輸入數(shù)據(jù)時，表示記錄操作的長度，如果Len值大于當前節(jié)點的最大記錄長度，則取當前節(jié)點記錄長度最大值；當作為輸出數(shù)據(jù)時，表示當前節(jié)點操作的記錄長度。

（3）記錄數(shù)據(jù)Records：記錄數(shù)據(jù)緩沖，緩沖區(qū)達25個字節(jié)。

該緩沖區(qū)可存放多條記錄，記錄格式如表2，每條記錄字節(jié)長度不一，一般在3-5個字節(jié)左右，最多能存放8條記錄。

該Len 值與記錄控制數(shù)據(jù)中的Len值意義不同，表示該條記錄的字節(jié)長度，其中并不包含本身字節(jié)長度，1個字節(jié)長度；Opt值為保留字節(jié)，一般無意義，控制命令與該字節(jié)相關(guān)，1個字節(jié)度；Content為設備文件的記錄值，記錄字節(jié)長度不定，一般1-2字節(jié)長。

3.2 協(xié)議擴展與特點

地址資源，單字節(jié)的Dest與Src地址分配對于普通的智能家居用戶完全能滿足要求，對于家居環(huán)境復雜，地址分配點較多的用戶，可能會出現(xiàn)資源不夠的情況，該情況可將Dest與Src地址擴展至16位，即2字節(jié)。滿足65535個節(jié)點要求。

節(jié)點命令碼，三種命令類型只占用Cmdid的二位，其余的高六位值保留，以備協(xié)議擴展所需。同理。

記錄選項，Opt為保留字節(jié)，默認值為0x00，該字節(jié)主要針對控制操作，用于記錄控制操作符，如表2說明，主要針對燈控文件的變亮，變暗操作。

該通訊協(xié)議的設計主要有以下特點：

（1）統(tǒng)一外設，將外部設備抽象成標準文件，并在控制器內(nèi)存記錄文件內(nèi)容，操作指定設備只需訪問該設備映射文件所處內(nèi)存空間數(shù)據(jù)即可，規(guī)范外設標準，提高通訊效率。

（2）通訊協(xié)議的制定極大的優(yōu)化了主控制器與射頻模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸性能，主控制器只需根據(jù)固定的通訊協(xié)議格式填充即可，簡化其處理過程。

（3）同樣簡化了從控制節(jié)點的數(shù)據(jù)處理過程。

4 通訊協(xié)議實現(xiàn)結(jié)果

按照系統(tǒng)功能需求的劃分，可分為智能溫度的控制，智能安防的控制，智能家電的控制，智能照明的控制等。

智能溫度控制：系統(tǒng)實時采集室內(nèi)的溫度，并能以圖形方式展示給用戶，用戶可以根據(jù)需要自行控制室內(nèi)溫度。

智能安防控制：系統(tǒng)集成防盜、防劫等功能，能夠通過網(wǎng)頁遠程監(jiān)控家居狀況，并能查詢控制警報器的狀態(tài)。

智能照明控制：用戶可以根據(jù)需要控制家庭的燈光效果，具有調(diào)光功能，不僅能夠滿足用戶的需求，還能達到節(jié)能和環(huán)保的功能，其記錄數(shù)據(jù)說明見表3.

記錄數(shù)據(jù)的首字節(jié)Len表示當前記錄字節(jié)長度，照明的三種控制方法具體說明如下：

Read：讀當前燈的亮度。

輸入：無。

輸出：Opt保留字節(jié)0x00.Value表示當前燈的亮度值（0x00-0x09），值越大，亮度越高，下同。

Write：設置燈的亮度值。

輸入：Opt保留字節(jié)0x00.Value 為要設置的亮度值。

輸出：Opt保留字節(jié)0x00.Value 表示當前燈的亮度值（0x00-0x09）。

Cnt：調(diào)節(jié)燈的亮度。

輸入：Opt的最低位為1，表示減少亮度；Opt的最低位為0，表示增加亮度。Value省略無意義。

輸出：Opt為保留字節(jié)0x00.Value 表示當前燈的亮度值（0x00-0x09）。

燈控設備支持多條記錄同時讀取與返回，設備的讀操作無記錄輸入，有記錄輸出；寫操作與控制操作有記錄輸入，同時有記錄輸出。假設當前操作節(jié)點為0x00，主控節(jié)點為0xFF，Value值為0x03.

以燈控控制命令為例：

控制命令（0x03）：假設當前亮度值為0x03，將燈亮度值加1，則輸入數(shù)據(jù)幀如表4，輸出數(shù)據(jù)幀如表5.

輸入數(shù)據(jù)幀與輸出數(shù)據(jù)幀進行相互轉(zhuǎn)換時，發(fā)送主體不同，因此發(fā)送地址與接收地址對調(diào)。由于是控制命令，Cmdid設置為0x03，如果是讀命令或?qū)懨?，則該字節(jié)設置為0x01或0x02.由上已知當前操作節(jié)點為0x00，即Fileid的設置值。Result表示數(shù)據(jù)返回結(jié)果碼，0x00表示操作成功。在輸入數(shù)據(jù)幀中無意義。

本例中，只有1個記錄值，因此在數(shù)據(jù)輸入、輸出幀記錄地址Start從0x00開始，數(shù)據(jù)幀長度Len為0x01.

讀命令、寫命令數(shù)據(jù)幀類似，參照控制命令格式。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)中，以嵌入式Web服務器為架構(gòu)，實現(xiàn)了對智能家居終端設備的遠程監(jiān)測與控制，并以nRF24L01射頻模塊32字節(jié)的數(shù)據(jù)幀為基礎，最終完成了針對較低成本智能家居的通訊協(xié)議設計。在實際操作過程中，也能夠通過網(wǎng)頁Web的調(diào)節(jié)控制，最終能夠達到對終端文件設備的控制，實現(xiàn)對燈控設備的開關(guān)，調(diào)亮，調(diào)暗等功能。能在發(fā)出命令后1 秒內(nèi)返回準確數(shù)據(jù)信息，保證該系統(tǒng)的實時控制，具有較高應用價值。



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