王倩　鄒浙湘　劉謀君

摘 要： 隨著智能家居的發(fā)展，智能管控需求大幅提升，有線網(wǎng)關(guān)已經(jīng)無法滿足功能需求。針對此問題，基于433 MHz頻段的無線RF通信網(wǎng)絡(luò)模塊，設(shè)計一種適用于家庭網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)、管理系統(tǒng)。用搭載RF無線模塊的智能終端通過內(nèi)置WiFi模塊發(fā)射控制信息或狀態(tài)查詢指令，通過服務(wù)器驗證RF通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀；采用PIC16F726單片機(jī)及SPI串行接口構(gòu)成觸發(fā)模塊，以驗證和篩選各類指令；采用高集成度、頻率自調(diào)的Si4421型號單晶射頻芯片來降低大型網(wǎng)絡(luò)下服務(wù)器的負(fù)載，服務(wù)器再將處理、整合后的信息發(fā)送給指定設(shè)備終端，從而實現(xiàn)高效、全面的無線智能家居。

關(guān)鍵詞： RF無線網(wǎng)絡(luò)； 智能家居； 數(shù)據(jù)幀驗證； 觸發(fā)模塊； Si4421芯片

中圖分類號： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0029?03

Abstract： With the development of modern intelligent home， the intelligent control demand has increased sharply， and the cable gateway has been unable to meet its functional requirements. In this situation， the RF wireless communication network module based on 433 MHz band was designed， which is suitable for association management system of home network. The intelligent terminal with RF wireless module transmits control information or status query commands through the built?in WiFi module and verifies the data frame in the RF communication protocol through server. PIC16F726 MCU and SPI serial interface are adopted to make up the trigger module to verify and screen various types of instructions. Si4421 model single crystal RF chip with high integration degree and frequency self?regulation is used to reduce the server load of large?scale networks. The server then sends the processed and integrated information to the designated equipment terminal， so as to achieve efficient and comprehensive wireless smart home.

Keywords： RF wireless network； smart home； data frame verification； trigger module； Si4421 chip

早期家居智能化通常是通過室內(nèi)綜合布線和控制端集成的方式實現(xiàn)各類電器設(shè)備的連網(wǎng)及管控，繼而實現(xiàn)信息、資源間的共享、控制與傳輸[1]。然而近年來伴隨著智能化程度加深，社會智能化程度越來越高，大型有線網(wǎng)絡(luò)在布線及控制端集成、安裝時技術(shù)難度倍增，架設(shè)成本也大幅提升，已無法滿足現(xiàn)行智能化網(wǎng)絡(luò)需求。本文基于短距RF技術(shù)中433 MHz頻段的一類無線通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行優(yōu)質(zhì)智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)。

1 RF無線通信網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計

RF智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)可分為終端接收設(shè)備、管理設(shè)備和發(fā)射設(shè)備 [2]。為了便于用戶終端從RF服務(wù)器中獲取目標(biāo)的狀態(tài)信息，系統(tǒng)會在RF服務(wù)器上設(shè)定循環(huán)播報狀態(tài)查詢程序，不斷向RF接收終端發(fā)送查詢請求。此時，下屬各RF終端經(jīng)過指令識別區(qū)分操作命令和查詢命令，判斷查詢字節(jié)對應(yīng)的終端序列，核對編號。經(jīng)查證后終端將執(zhí)行狀態(tài)查詢命令，返回查詢信息。若編號不匹配，則將指令作廢，終端不返送任何消息。建立這種網(wǎng)絡(luò)“IP”式關(guān)聯(lián)系統(tǒng)可以實現(xiàn)設(shè)備群的精確控制和最新的狀態(tài)查詢，大幅提升網(wǎng)關(guān)設(shè)備群容量。

2 RF網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟、硬件組建

2.1 系統(tǒng)功能硬件設(shè)計

根據(jù)室內(nèi)環(huán)境結(jié)構(gòu)多變、障礙物對信號強(qiáng)度的影響較大的工程特性可知，指令編碼傳輸、狀態(tài)信息收發(fā)均要求載體信號具備極強(qiáng)的穿障礙物能力[3]。因此，常規(guī)短距通信技術(shù)無法實現(xiàn)這一功能需求，反而會限制信號覆蓋的范圍和信息清晰度；而433 MHz的ISM射頻信號兼具穿透性和廉價性，可大范圍多點覆蓋，具備良好的架設(shè)基礎(chǔ)。

RF射頻模塊的電路主要由PIC16F726單片機(jī)和具備高集成度的Si4421型號射頻芯片構(gòu)成。PIC16F726型單片機(jī)配備2個8位定時器加一個16位定時器，與SPI同步串行端口共同構(gòu)成定時模塊，功耗低、性能良好，適宜在無線收發(fā)中承擔(dān)控制觸發(fā)器的功能。

Si4421為多頻段的全集成FSM單晶收發(fā)器，芯片各項指標(biāo)嚴(yán)格遵守FCC和ETSI中的性能規(guī)定[4]。只需給Si4421添加一個外部晶體振蕩器，并在電路中串聯(lián)去耦電容即可滿足工作需求。此外，Si4421出色的自動頻率控制特性將大幅降低大型RF網(wǎng)關(guān)中的服務(wù)器負(fù)載和制造成本。endprint

RF服務(wù)器與主控芯片間主要通過SPI接口進(jìn)行各類數(shù)據(jù)交互。在無線網(wǎng)關(guān)芯片的SPI接口引腳釋放成為普通的GPIO接口后，將對寄存器進(jìn)行軟件配置以管理設(shè)備。如NSS引腳配置SPI主模式（高電平），或者通過引腳置0（低電平）來選擇目的RF從設(shè)備。

RF終端設(shè)備配置原理基本相同，也是通過SPI接口與設(shè)備芯片進(jìn)行信息通信[5]。不同的是，終端設(shè)備需要通過引腳采集傳感器數(shù)據(jù)、接收并識別操控和查詢指令、反饋家電狀態(tài)信息給主控器，并在RF服務(wù)器上儲存?zhèn)浞?，如圖2所示。

2.2 RF核心通信協(xié)議設(shè)定

RF通信協(xié)議需要根據(jù)不同種類家電的功能獨立設(shè)定數(shù)據(jù)幀，分別對應(yīng)不同代碼，以此保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。如圖3所示，通常數(shù)據(jù)幀由10個字節(jié)組成，每個字節(jié)又由4位編碼組成，包含家電的產(chǎn)品信息、產(chǎn)品編號、產(chǎn)品狀態(tài)以及產(chǎn)品功能等設(shè)備特征，且對應(yīng)各編碼可獨立進(jìn)行驗證，以防出現(xiàn)錯誤通信和無效通信[6]。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)設(shè)計

RF服務(wù)器的軟件程序的主要職能為：收集、整理控制設(shè)備端發(fā)出的攜帶有操控或狀態(tài)查詢指令的數(shù)據(jù)幀，以此實現(xiàn)信息交互和無線終端設(shè)備的狀態(tài)管理，程序流程如圖4所示。而根據(jù)常用家電設(shè)備的特征信息數(shù)據(jù)包大小，在規(guī)模較大的組網(wǎng)無線關(guān)聯(lián)中，將網(wǎng)關(guān)主控芯片與RF服務(wù)器之間的SPI通信比特率設(shè)定在70 kb/s以上，才可實現(xiàn)穩(wěn)定、流暢的智能管控[7]。另外，設(shè)定數(shù)據(jù)幀信息標(biāo)志信息（以00/11區(qū)分），若出現(xiàn)“11”，則舍棄其他數(shù)據(jù)幀，將此數(shù)據(jù)幀通過Si4421下發(fā)出去，實現(xiàn)特定家電控制。設(shè)備終端在接收到下發(fā)的數(shù)據(jù)幀后，需先判斷數(shù)據(jù)幀的類型。常見的控制命令數(shù)據(jù)幀主要有3種：全開、全關(guān)廣播消息、控制家電全開或全關(guān)。根據(jù)每種指令，分別執(zhí)行區(qū)域設(shè)備的獨立、聯(lián)合開閉。若是狀態(tài)查詢指令，則將本機(jī)產(chǎn)品編號和狀態(tài)信息送入RF服務(wù)器對應(yīng)寄存器暫存，留待數(shù)據(jù)整合后反饋給控制端[8?9]。

3 系統(tǒng)功能測驗

為了驗證系統(tǒng)的功能性和實用性，測試模擬了當(dāng)用戶攜帶智能終端進(jìn)入控制區(qū)并接入WiFi網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)備后與其進(jìn)行信息交互。Android智能終端與控制塊同步通信，繼而通過客戶端軟件來控制和管理照明設(shè)備的整個流程。另外，為了保證系統(tǒng)功能適用性，命令輸入涵蓋了3種不同的方式：按鍵命令、語音命令、短信命令。

（1） 用戶攜帶移動控制中端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，打開手機(jī)搜索網(wǎng)絡(luò)，接入無線網(wǎng)關(guān)，控制端匹配成功，狀態(tài)燈呈綠色。

（2） 用戶對手機(jī)進(jìn)行操作，發(fā)送“開燈”的控制命令短信到指定目標(biāo)，手機(jī)終端屏幕網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中表示照明燈的圖標(biāo)亮起，約10 s后屋內(nèi)對應(yīng)照明燈點亮。測試重復(fù)20次，統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

（3） 用戶對手機(jī)進(jìn)行操作，運(yùn)行手機(jī)設(shè)備綁定的Voice Search軟件進(jìn)行命令錄入。語音說：“開啟客廳照明燈。”，經(jīng)識別處理，約5 s后，客廳照明燈點亮。測試重復(fù)20次，統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

（4） 用戶對手機(jī)進(jìn)行操作，直接在手機(jī)智能家居客戶端上點擊照明燈圖標(biāo)，圖標(biāo)由暗變亮，4～5 s后，室內(nèi)對應(yīng)照明設(shè)備點亮。測試重復(fù)20次，統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

熄滅的過程和效果、花費(fèi)時常與點亮過程近似。統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論：直接接入網(wǎng)絡(luò)的語音和按鍵命令精確度高，耗時較短，短信控制花費(fèi)時間較長。總體識別耗時均在5 s以內(nèi)，精確度為99.8%，具備大規(guī)模網(wǎng)關(guān)擴(kuò)充的潛力。

4 結(jié) 語

本文充分考慮到復(fù)雜環(huán)境下的通信質(zhì)量和穩(wěn)定度，在433 MHz以上頻段，設(shè)計出一種基于RF技術(shù)的無線智能家居通信網(wǎng)絡(luò)，分析了433 MHz頻段RF智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計與搭建。經(jīng)過系統(tǒng)性功能測試，結(jié)果表明此RF系統(tǒng)成本較低、易實現(xiàn)、具備較高的功能精確度和穩(wěn)定度。

參考文獻(xiàn)

[1] ADINDA Peter， HALLARON D R O. Host load prediction using linear models [J]. Cluster computing， 2000， 3（4）： 132?145.

[2] 楊俊，王潤生.智能化交通視頻圖像處理技術(shù)研究[J].電視技術(shù)，2006，30（9）：74?77.

[3] 陶在紅，楊宇，常建華.基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（23）：9?12.

[4] RANGANATHAN Kacitha， FOSTER Ian. Simulation studies of computation and data scheduling algorithms for data grids [J]. Journal of GRID Computing， 2003， 1（1）： 53?62.

[5] LOU Jianguang， LIU Qifeng， TAN Tieniu， et al. Semantic interpretation of object activities in a surveillance system [C]// Proceeding of 16th International Conference on Pattern Recognition. Quebec City， Quebec， Canada： IEEE， 2002： 104?115.

[6] LEACH J. TBSE?an engineering approach to the design of accurate and reliable security system [J]. Computer & security， 2004， 23（1）： 265?266.

[7] STEPEN M. A model of information management for construction using information technology [J]. Automation in construction， 2001（10）： 22?28.

[8] 李因東.基于ARM的家庭智能終端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.

[9] 章捷，顏文俊，姚維.無線家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2003（4）：40?41.endprint