聶亨，廖惜春

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多協(xié)議融合的智能家居無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

聶亨，廖惜春

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

現(xiàn)有智能家居網(wǎng)關(guān)或是功能不完整，或是數(shù)據(jù)傳輸復(fù)雜、靈活性差、成本高，難以滿足智能家居系統(tǒng)便捷、靈活、廉價的要求. 本文所述無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，以STM32F103RBT6為主控芯片，融合了WiFi、GPRS和低成本nRF24L01無線通信模塊，并使用自定義的內(nèi)網(wǎng)無線通信協(xié)議，有效地解決了多協(xié)議融合及內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問題，實現(xiàn)了對家居情況的實時監(jiān)控.

智能家居；無線通信協(xié)議；短距離無線通信；STM32

智能家居通過計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等將日常家居生活中的安防、照明、電器等進行統(tǒng)籌管理，使家居生活更舒適、更安全、更符合當代人的要求[1]. 其中家居無線網(wǎng)關(guān)作為家居網(wǎng)絡(luò)與外界通信網(wǎng)的“溝通翻譯機”，地位尤其重要. 現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的多樣性與手持智能終端的普及，決定了無線網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控途徑的多樣性. 現(xiàn)在市場上大部分無線網(wǎng)關(guān)存在接入網(wǎng)絡(luò)單一、對PC機高度依賴和只能監(jiān)測不能控制等不足，本文采用高集成STM32F103RBT6芯片，外加GPRS、WiFi/以太網(wǎng)模塊和低成本、底層全開放的nRF24L01模塊組成硬件平臺，將以太網(wǎng)、WiFi（IEEE802.11n）、GPRS移動通信網(wǎng)等三大通信協(xié)議與自定義的家居無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議融合，同時使用手持智能終端監(jiān)控軟件和短信命令進行監(jiān)控，實現(xiàn)了多協(xié)議的相輔融合，解決了接入網(wǎng)絡(luò)的單一性與監(jiān)控的實時性問題、降低了智能家居系統(tǒng)對PC機的依賴.

1 基于多協(xié)議融合的智能家居無線網(wǎng)關(guān)概述

1.1 智能家居系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)包括安全防衛(wèi)、能源監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、家電控制、照明控制以及家庭娛樂等幾大部分（其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示），家庭網(wǎng)關(guān)可通過室內(nèi)短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)與之連接，實現(xiàn)對室內(nèi)各個節(jié)點的監(jiān)控；也可通過以太網(wǎng)、WiFi、GPRS等網(wǎng)絡(luò)與室外用戶交互信息，為用戶提供安全、舒適、便捷的家居環(huán)境.

圖1 智能家居系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 智能家居無線網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)與工作原理

智能家居網(wǎng)關(guān)是家庭內(nèi)外信息交流的門戶，其作用是協(xié)調(diào)各模塊、各協(xié)議間的轉(zhuǎn)換[2]，其硬件電路組成如圖2所示. 其中，GPRS模塊的功能是遠程短信控制，WiFi的功能是利用互聯(lián)網(wǎng)遠程使用人機交互界面以實施監(jiān)控，nRF24L01的功能是傳輸家居內(nèi)部各節(jié)點的數(shù)據(jù)，JTAG的功能是測試網(wǎng)關(guān)運行情況并做相應(yīng)的調(diào)整.

圖2 智能家居無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

用戶可通過移動設(shè)備上的互聯(lián)網(wǎng)控制軟件，查詢或控制家里各個節(jié)點的數(shù)據(jù)；無互聯(lián)網(wǎng)時，也可以通過手機短信、GPRS等傳輸數(shù)據(jù)，及時接收家居報警節(jié)點發(fā)來的信息. 2種方式的控制形式如下：

1）軟件控制形式. STM32F103RBT6主控模塊采集家中各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過WiFi模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，再發(fā)送到移動設(shè)備上；同時，主控模塊通過WiFi模塊接收相應(yīng)的控制命令編碼，經(jīng)過內(nèi)部協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后傳輸給RF模塊（主），RF模塊（主）同樣按照相應(yīng)的協(xié)議標準對數(shù)據(jù)編碼并進行必要的處理后，發(fā)送給對應(yīng)家電的RF模塊（從），當對應(yīng)家電上的RF模塊接收到正確的控制命令編碼后，便可以通過家電控制器來控制家電執(zhí)行相應(yīng)的操作[3].

2）短信控制形式. GPRS模塊中設(shè)定特定指令，在手機上以短信方式輸入特定指令并發(fā)送. GPRS模塊接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)過協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，再通過RF模塊（主）發(fā)送給RF模塊（從），從而對指定家電進行相應(yīng)操作.

1.3 智能家居無線網(wǎng)關(guān)的多協(xié)議轉(zhuǎn)換

本網(wǎng)關(guān)融合了以太網(wǎng)協(xié)議、IEEE802.11n協(xié)議、GPRS協(xié)議與家居無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換. 以太網(wǎng)協(xié)議與IEEE802.3協(xié)議類似，是總線網(wǎng)協(xié)議. IEEE802.11n是無線網(wǎng)協(xié)議，即TCP/UDP協(xié)議，網(wǎng)關(guān)使用WiFi模塊時，只需要解讀TCP/UDP協(xié)議即可. 網(wǎng)關(guān)使用的協(xié)議是TCP協(xié)議，它分為11部分，數(shù)據(jù)部分為第11部分，在TCP包中，除去20 bit的包頭，可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)長度為1 460 bit. 當遠程終端發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)時，網(wǎng)關(guān)去掉包頭的20個字節(jié)后提取剩下的數(shù)據(jù)，即為遠程終端發(fā)送來的內(nèi)容；然后，將數(shù)據(jù)按家居無線網(wǎng)協(xié)議幀的結(jié)構(gòu)封裝進SPI傳輸給nRF24L01，發(fā)送給家居節(jié)點. 反之，網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，提取數(shù)據(jù)內(nèi)容后，加上TCP的包頭，就能經(jīng)過WiFi模塊發(fā)送給遠程終端. GPRS是經(jīng)過AT指令集進行收發(fā)的，發(fā)送和接收方法與經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)類似. 本網(wǎng)關(guān)中不同協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示.

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖

2 無線網(wǎng)關(guān)的組成模塊介紹

如圖2所示，無線網(wǎng)關(guān)主體由主控模塊、GPRS通信模塊、以太網(wǎng)/WiFi通信模塊以及RF模塊組成. 以下分別介紹各個模塊的硬件選取與參數(shù).

2.1 主控模塊

網(wǎng)關(guān)選取STM32F103RBT6作為主芯片，該微處理器具有ARM CortexM3內(nèi)核，最大時鐘頻率為72 MHz，內(nèi)置高達128 kbit的Flash存儲器和20 kbit的SRAM，具有豐富的通用I/O端口. 芯片有3個串口和1個SPI接口，足夠添加GSM模塊、WiFi模塊和nRF24L01模塊（UART1連接GSM、UART2連接WiFi模塊、SPI接口連接nRF24L01）. 芯片內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器及休眠、停止、待機3種低功耗狀態(tài)的切換，工作電壓為2.0～3.6 V.

2.2 GPRS通信模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)是一種覆蓋范圍廣、性能完善的無線網(wǎng)絡(luò)，采用GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)，實時性高、安全可靠、通信成本低[4]. 網(wǎng)關(guān)選取SIM900A模塊實現(xiàn)GPRS通信，其工作電壓為3.2～4.8 V，支持頻段為，支持一個UART接口，SIM900A模塊通過該接口與STM32F103RBT6通信. 網(wǎng)關(guān)可通過該模塊給用戶發(fā)短信及時上報告警信息，或接收用戶短信指令以響應(yīng)用戶的遠程操作.

2.3 以太網(wǎng)/WiFi通信模塊

網(wǎng)關(guān)選取高性能UART-EHT-WiFi模塊ATK-RM04. 它自帶串行通信接口、以太網(wǎng)接口和WiFi、無線路由功能，并具有LAN和WLAN兩個網(wǎng)絡(luò)接口，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能靈活地實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)串口通信、以太網(wǎng)通信和WiFi通信3個接口間的轉(zhuǎn)換.

用戶在室內(nèi)有WiFi網(wǎng)絡(luò)時，可以使用COM-WiFi STA連接互聯(lián)網(wǎng)；在室內(nèi)沒有無線網(wǎng)絡(luò)時，可以使用EHT-COM（以太網(wǎng)接口）連接互聯(lián)網(wǎng)；如果室內(nèi)無網(wǎng)絡(luò)，還可以使用COM-WiFiAP，將家居網(wǎng)關(guān)作為一個無線路由器進行局域網(wǎng)點對點的傳輸.

2.4 RF模塊

3 無線網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

3.1 網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的每個子模塊都需要相應(yīng)的驅(qū)動程序和功能實現(xiàn)程序，如GPRS模塊需要編寫基本的收發(fā)功能程序，此外還可以編寫GPRS上網(wǎng)、撥號通話等功能程序. 圖4為無線網(wǎng)關(guān)的總程序流程圖.

圖4 總程序流程圖

為實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)中以太網(wǎng)協(xié)議、IEEE802.11n協(xié)議、GPRS協(xié)議、家居無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，本文自定義了如圖5所示的家居無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，并指定了各個節(jié)點相應(yīng)的數(shù)據(jù)需求表，主要為Data的內(nèi)容. 以接收上行數(shù)據(jù)為例，網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點數(shù)據(jù)后的操作：1）提取第0位數(shù)據(jù)，判斷其是否為本家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并準備執(zhí)行相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的操作；2）提取第15位數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)接收是否完成；3）提取第4、第5位數(shù)據(jù)，再次判斷其是否為本機所屬的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收的數(shù)據(jù)（Flag Bit為系統(tǒng)從0～99中產(chǎn)生的一個隨機數(shù)），這樣的雙層驗證，能有效防止錯誤接收非本家居節(jié)點的數(shù)據(jù)，在一定程度上防止了不法滲透；4）提取第14位CRC校驗碼，判斷本次接收的數(shù)據(jù)是否為節(jié)點想要發(fā)送的數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的準確性，如果不是，網(wǎng)關(guān)會自動發(fā)送“重發(fā)命令給節(jié)點”，讓節(jié)點再次發(fā)送數(shù)據(jù)，再重復(fù)前三步的操作，直到接收到準確數(shù)據(jù)為止；5）提取第1～3位和第6～8位的數(shù)據(jù)，判斷發(fā)送節(jié)點和目的地址的IP號；6）提取第9～13位的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相關(guān)的操作，轉(zhuǎn)換打包，傳輸給WiFi模塊或者GPRS模塊，最后發(fā)送給用戶. 下行的數(shù)據(jù)操作類似. 其中互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)均由MAC協(xié)議中的數(shù)據(jù)字段提取，然后經(jīng)過AT指令集，使用串口進行模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸.

圖5 家居無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

圖6 節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)分析

以打開智能燈1為例，解釋各部分數(shù)據(jù)所包含的信息. 因6為網(wǎng)關(guān)發(fā)送到節(jié)點1的數(shù)據(jù)按上述協(xié)議封裝后的數(shù)據(jù).

使用自定義的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀具有3點優(yōu)勢：1）防止同頻同幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)互相串擾；2）靈活性大，預(yù)留的地址長度可以自行添加新節(jié)點，不受任何限制；3）安全性能好，使用公用協(xié)議幀，容易被不法分子盜取數(shù)據(jù)包進行非法操控，而自定義協(xié)議的加密技術(shù)（Flag Bit）可以自行定義或更新，大大提高了安全性。

3.2 GPRS通信程序

提取短信的內(nèi)容是網(wǎng)關(guān)準確發(fā)送命令給節(jié)點的關(guān)鍵. 以下為提取內(nèi)容的程序：

p=mymalloc(SRAMIN，200);

p1=(u8*)strstr((const char*)(USART2_RX_BUF)，"，");

sprintf((char*)p，"AT+CMGR=%s"，p1+1);

if(sim900a_send_cmd(p，"+CMGR:"，200)==0)

{p1=(u8*)strstr((const char*)(USART2_RX_BUF)，"，");

p2=(u8*)strstr((const char*)(p1+2)，""");

p2[0]=0;

p1=(u8*)strstr((const char*)(p2+1)，"/");

p2=(u8*)strstr((const char*)(p1)，"+");

p2[0]=0;

p1=(u8*)strstr((const char*)(p2+1)，" ");

sim900a_unigbk_exchange(p1+2，p，0);//為unicode碼轉(zhuǎn)gbk碼}

3.3 WiFi通信程序

圖7為WiFi通信程序的流程圖. 一般情況下選擇WiFista模式以適應(yīng)短距離通信，長距離通信利用Internet進行傳輸. ATK-RM04網(wǎng)卡參數(shù)配置的主干程序如下：

圖7 WiFi通信程序流程圖

/////設(shè)置WiFi網(wǎng)卡模式，連接到無線路由器/////

send_cmd("at+netmode=2"，"ok"，500);

send_cmd("at+dhcpd=0"，"ok"，500);

send_cmd("at+dhcpc=1"，"ok"，500);

sprintf((char*)p，"at+wifi_conf=%s，%s，%s"，wifista_ssid，wifista_encryption，wifista_password);

send_cmd(p，"ok"，500);

/////選擇TCP協(xié)議，配置IP地址，設(shè)置為Server Mode/////

PRESTA:

netpro=m04_netpro_sel(50，30，(u8*)ATK_RM04_NETMODE_TBL[2]);

sprintf((char*)p，"at+remoteport=%s"，portnum);

send_cmd(p，"ok"，500);

if(netpro&0X01)

{ if(ip_set("WIFI-STA 遠端IP設(shè)置"，(u8*)ATK_RM04_WORKMODE_TBL[netpro]，(u8*)portnum，ipbuf))goto PRESTA;

sprintf((char*)p，"at+remoteip=%s"，ipbuf);

send_cmd(p，"ok"，500);

send_cmd("at+mode=client"，"ok"，500);}

if((netpro&0X01)==0)get_wanip(ipbuf);

wificonf_show(30，180，"請設(shè)置路由器無線參數(shù)為:"，

(u8*)wifista_ssid，(u8*)wifista_encryption，(u8*)wifista_password);

3.4 nRF24L01通信程序

下行時，當MCU接收到通過互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的指令后，按照數(shù)據(jù)需求表，取出Data的內(nèi)容打包成Tx_Buf，然后經(jīng)過nRF24L01發(fā)送給下位機. 反之亦然. 圖8為nRF24L01通信程序的算法流程.

圖8 nRF24L01收發(fā)算法框圖

3.5 數(shù)據(jù)測試

接收的數(shù)據(jù)包解讀的結(jié)果是IP為000000的網(wǎng)關(guān)發(fā)送給IP為000001的節(jié)點，操作為打開節(jié)點1.表1和表2分別是部分家居節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)情況.

表1 家居節(jié)點反饋網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)需求表

表2 無線網(wǎng)關(guān)對節(jié)點監(jiān)控數(shù)據(jù)需求表

測試以上節(jié)點，結(jié)果如表3所示。

表3 測試結(jié)果

4 總結(jié)

融合了多協(xié)議的家居無線網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)接入途徑與功能多樣性的重要保障. 本文設(shè)計的家居無線網(wǎng)關(guān)采用了嵌入式的硬件系統(tǒng)平臺，運用了多協(xié)議融合的方法，經(jīng)測試，該網(wǎng)關(guān)基本功能運作正常，初步達到了多協(xié)議融合的目的，預(yù)期可應(yīng)用于家居、酒店房間或辦公室中. 但由于智能家居網(wǎng)絡(luò)沒有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，且不同商家使用的無線模塊、無線協(xié)議各不相同，因此無法將不同品牌的無線產(chǎn)品組成一個家居無線網(wǎng)絡(luò)或者無法在家居網(wǎng)絡(luò)中隨便添加不同品牌的無線產(chǎn)品；同時本網(wǎng)關(guān)不能用在大型或障礙物較多的場所. 要完善本文設(shè)計的無線網(wǎng)關(guān)，首先要確定使用nRF24L01無線收發(fā)模塊組成的家居節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點之間的最優(yōu)距離，然后才能制定出一個切實的路由方案將其應(yīng)用到不同環(huán)境的場所中.

[1] 康祥喆. 淺談我國智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 中國科技信息，2014(8): 121-122.

[2] 袁麓，許艾明，朱琴娟. 多模接入家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的研究[J]. 中國有線電視，2013(S): 355-358.

[3] 項雷軍. 基于ZigBee、GPRS和TCP/IP協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J]. 微型機與應(yīng)用，2013, 32(8): 51-54.

[4] 李華，李學(xué)云，區(qū)細成，等. 現(xiàn)代移動通信新技術(shù)GPRS系統(tǒng)[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001.

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[6] 向忠宏. 智能家居[M]. 北京：人民郵電出版社，2002.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Design and Implementation of the Smart Home Wireless Gateway Based on Multi-protocol

NIEHeng, LIAOXi-chun

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Existing functions of the smart home gateway are incomplete, with low flexibility, high cost，and complicated data transmission, and cannot adapt to the requirements for the hardware of the current home: Convenience, quickness, flexibility and low cost. In light of the requirements, a wireless gateway was designed based on the STM32F103RBT6, and it incorporated GPRS, WiFi and the low cost nRF24L01 module and adopted the custom internal network wireless communication protocol. The problem of the data conversion between internal and external networks was resolved effectively, achieving real-time monitoring of the smart home.

smart homes; wireless communication protocol; short distance wireless communication; STM32

1006-7302（2015）02-0061-07

TN919

A

2014-12-11

江門市科技計劃項目（江財工[2011]131號）

聶亨（1989—），男，廣東肇慶人，在讀碩士生，主要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用；廖惜春，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理研究.