智能家居無線網絡通訊協議設計
來源：計算機系統(tǒng)應用
摘要： 基于ARM 微控制器技術，提出了智能家居的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的有效方法。實際應用中該方法以Web 瀏覽器作為操作界面，實現遠程數據通信監(jiān)控操作。利用nRF24L01 射頻模塊為智能家居終端設備構建了無線數據通訊平臺，其中nRF24L01 射頻模塊有32 個字節(jié)的數據載荷長度。通過對載荷數據幀格式的定義，完成了無線通訊協議的設計，統(tǒng)一了底層設備的應用程序接口，為智能家居的開發(fā)增加了靈活性。該遠程監(jiān)控平臺對家居環(huán)境及各布控系統(tǒng)進行了有效監(jiān)控，豐富并擴展了家居智能化的可操作性。
Abstract：
Key words :
“智能家居”（smart home）又稱智能住宅，它利用先進的計算機技術、嵌入式系統(tǒng)技術、網絡通訊技術與傳感器技術等，把家中的各種設備有機的結合起來，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動。
家庭網絡的分層結構中，整個系統(tǒng)分成5 層：
物理媒體層（Media），底層協議層（Protocol）、應用程序接口層（API）、應用程序層（APP）和最終用戶接口層（UI）。其中第一、二層標準已經頒布并在實際中應用；第三層（API）是家庭網絡技術發(fā)展的關鍵，是當前業(yè)界研究的熱點；第四層是應用程序層，是在第三層的基礎上由技術人員開發(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、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)揮和使用至關重要。本文主要針對第三、四層結構，設計符合智能家居系統(tǒng)平臺的數據通訊協議。
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，通過以太網芯片ENC28J60 接收遠程控制數據包，完成數據解析后通過射頻模塊發(fā)送控制命令，延時并接收節(jié)點應答數據，將應答數據以json 數據格式（一種數據保存格式）通過網關發(fā)送局部更新Web信息，達到監(jiān)測控制家居環(huán)境的效果。
圖1 智能家居遠程監(jiān)控方案
1.2 控制單元
控制單元采用ARM 微控制器STM32F103RBT6，Cortex-M3 內核，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關及終端控制方案。
圖2 系統(tǒng)控制單元設計
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據發(fā)送端；其它作為節(jié)點設備數據接收端。接收端完成命令數據接收，依據命令內容聯動對應設備；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)。
圖3 無線通信系統(tǒng)
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 寄存器配置內容決定。
在Enhanced ShockBurst TM 收發(fā)模式下，使用片內先入先出堆棧區(qū)，數據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。并且與射頻協議相關的所有高速信號處理都在片內進行，這樣有三大優(yōu)點：節(jié)能；系統(tǒng)費用低；數據空中停留時間短，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 數據發(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） 等待網絡數據包的到來，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據包。
（2） 數據發(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)數據幀，并定時2 秒，超時或成功接收從控制器設備應答數據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互鎖“假死”狀態(tài)。
（3） 如果成功接收從控制器設備應答數據，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)點接收該數據包，并對該數據包的驅動接口數據進行解析校對，比如接收地址匹配，命令碼，操作文件？有匹配節(jié)點則進入驅動應用程序并執(zhí)行操作。該射頻模塊多數情況下處于接收模式，具體流程如圖4：
圖4 主控射頻流程
?。?） 從控制器節(jié)點nRF24l01 射頻模塊配置成接收模式，直到接收數據包。
（2） 對數據包的驅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，如出現非法操作碼或文件標志，則返回步驟（1），有對應驅動接口則進入驅動應用程序。
?。?） 根據輸入的應用數據（記錄控制數據和記錄數據），操作設備將設備狀態(tài)寫入發(fā)送數據幀。完成后，射頻模塊配置進入發(fā)送模式，將發(fā)送數據幀返回主控制器，并延時1 秒。
?。?） 判斷是還發(fā)送成功，失敗則重新進入步驟（1），成功則結束，同樣進入初始化狀態(tài)。
圖5 從機節(jié)點射頻流程圖
3 無線通訊協議
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req 為結構體指針，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 通訊協議
無線射頻模塊nRF24l01 對應收發(fā)模式的數據有效負載最大為32 個字節(jié)，該數據包作為一幀數據，其中可分成三類數據：驅動接口數據，記錄控制數據以及記錄數據，輸入幀與輸出幀數據類型相同。數據格式如表1.
表1 幀數據格式
?。?）驅動接口數據。
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。
?。?）記錄控制數據。
Result：操作結果碼，1 字節(jié)表示，當有數據返回時，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，當作為輸入數據時，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；當作為輸出數據時，表示當前節(jié)點操作的記錄長度。
?。?）記錄數據Records：記錄數據緩沖，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。
表2 記錄數據格式
該Len 值與記錄控制數據中的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，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，并在控制器內存記錄文件內容，操作指定設備只需訪問該設備映射文件所處內存空間數據即可，規(guī)范外設標準，提高通訊效率。
?。?）通訊協議的制定極大的優(yōu)化了主控制器與射頻模塊之間的數據傳輸性能，主控制器只需根據固定的通訊協議格式填充即可，簡化其處理過程。
?。?）同樣簡化了從控制節(jié)點的數據處理過程。
4 通訊協議實現結果
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)實時采集室內的溫度，并能以圖形方式展示給用戶，用戶可以根據需要自行控制室內溫度。
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：用戶可以根據需要控制家庭的燈光效果，具有調光功能，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，其記錄數據說明見表3.
表3 燈控記錄數據
記錄數據的首字節(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，則輸入數據幀如表4，輸出數據幀如表5.
表4 輸入數據幀
表5 輸出數據幀
輸入數據幀與輸出數據幀進行相互轉換時，發(fā)送主體不同，因此發(fā)送地址與接收地址對調。由于是控制命令，Cmdid 設置為0x03，如果是讀命令或寫命令，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 表示數據返回結果碼，0x00 表示操作成功。在輸入數據幀中無意義。
本例中，只有1 個記錄值，因此在數據輸入、輸出幀記錄地址Start 從0x00 開始，數據幀長度Len 為0x01.
讀命令、寫命令數據幀類似，參照控制命令格式。
5 結論
本系統(tǒng)中，以嵌入式Web 服務器為架構，實現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)的數據幀為基礎，最終完成了針對較低成本智能家居的通訊協議設計。在實際操作過程中，也能夠通過網頁Web 的調節(jié)控制，最終能夠達到對終端文件設備的控制，實現對燈控設備的開關，調亮，調暗等功能。能在發(fā)出命令后1 秒內返回準確數據信息，保證該系統(tǒng)的實時控制，具有較高應用價值。
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