基于433无线收发模块的物联网智能家居系统设计

涂 亮，段红光

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

随着信息社会的发展，网络和信息家电已越来越多地出现在人们的生活中，而这一切发展的最终目标都是给人类提供一个舒适、便捷、高效的生活环境。如何建立一个高效率、低成本的物联网智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题。近年来，国际上许多大公司提出了相应的解决方案，但迄今为止，这一领域的国际标准尚未成熟，各国正努力研制适合于本国国情的智能家居系统[1-2]。本文提出了一种适合中国国情的智能家居系统的解决方案。

433 MHz无线收发模块为短距离无线通信模块，在智能家居系统中实现传感器与终端的信息传递。由于该模块的成本极低、睡眠模式不到1 μA的电流消耗、绿色环保小尺寸封装和极少的外围部件等特点，势必在智能家居系统中被广泛使用。目前中国移动推出的物联网宜居通产品中，在TD/GSM无线移动座机中增加433 MHz无线收发模块，完成与传感器的数据交互，实现安防报警和家电远程控制功能。

本文使用433 MHz无线收发模块，设计了一套智能家居系统。该系统包含安防报警和家电远程控制两个子系统。

1 系统总体设计

1.1 安防报警子系统

此系统在无线移动座机的基础上集成了“防火、防盗、防煤气、老人紧急医疗求助、防劫持”的报警功能，可以对接“防盗探测器、火警探测器、煤气探测器、医疗求救按钮”等无线探测器及遥控器。当探测器感应到报警信号时，无线移动座机会自动按照用户设定的接警电话号码，分别以短信方式和语音方式及时通知用户。

1.2 家电远程控制子系统

通过短信指令或Web控制，该子系统可以实现家电远程控制。例如：下班路上，只要发一条简单的短信指令，家中的空调就会提前开启，深夜回家前发条短信，浴缸就能自动放好洗澡水；甚至只要发条指令给电饭煲，当你踏进家门时，三菜一汤已经做好。

2 系统硬件设计

应用433 MHz无线收发模块实现设备与终端之间的数据交互，本文研究了433 MHz无线收发模块选择Sili⁃con Labs公司推出的SI1015无线收发芯片。其中对于433 MHz的FSK收发器件，SI1015芯片内部集成了单片机和射频收发器；外围器件较少以及超低的功耗，比较适合物联网产品的开发。该系统硬件结构如图1所示。当外围传感器/家电主控制板监测到有消息发出时，将消息信息和类别传给设备端的433模块，433模块将信息通过天线发出。终端的433模块收到射频消息，传送给终端基带芯片，基带芯片解析并进行相应处理，将结果返回终端433模块，433模块收到后将信息发出。这是双方通信的一个基本流程，由此可见，433 MHz无线收发模块完成了外围设备和终端之间的数据传输。

3 系统软件设计

为实现安防告警和家电控制的功能，此系统软件设计方案目的是实现传感设备、终端和平台间的互联互通，流程如图2所示。

3.1 安防报警433模块软件设计

安防报警系统的传感设备主要包含的产品有“门磁、遥控器、红外探测器、气体探测器和烟气感应探测器”，主要目标是完成防火、防盗、防煤气、老人紧急医疗求助、防劫持等报警功能。

由于安防产品的长时间使用，且只有触发告警时，才发出告警信息，此种单向传输、数据量小的要求。SI1015芯片睡眠模式不到1 μA的超低待机功耗，保证安防产品一节电池可以工作2～3年时间。

为满足此要求，433模块有两个工作状态，一个为睡眠模式，另一个为工作模式。在睡眠模式下，SI1015芯片处于睡眠状态，定时唤醒发出心跳消息告知终端传感器在位，并打开中断唤醒功能。在工作模式下，SI1015根据唤醒原因发出不同的射频消息，其软件流程图如图3所示。

图3 安防433模块软件流程图

3.2 家电433模块软件设计

由于433模块的功耗对于家电来讲影响微乎其微，因此家电远程控制系统的设计方案并没用考虑433模块的省电，让该模块长期处于接收状态和故障查询状态。当空调发生故障时，由主控制芯片将故障原因按照规定的协议组装成数据包发送给433模块，433模块将数据发出。当433模块收到家电控制信息时，将此消息传给主控制芯片，由主控制芯片解析数据并处理控制命令，然后将状态反馈给433模块，433模块最终将反馈消息发出。其具体的软件流程如图4所示。

图4 安防433模块软件流程图

3.3 终端433模块软件设计

相反，对于终端而言，433模块功耗将直接影响到终端电池使用时间，必须降低433模块功耗以满足终端需求。鉴于此，本软件设计既要睡眠也要保证能接收到数据包。为此，双方通信MAC层格式规定前导码发送48 byte，然后是同步字节和有效数据。由数据传输率为19.2 kbit/s，可计算出前导码所需时间为20 ms。这样，只需保证433模块睡眠时间小于20 ms，当检测到有效前导码时，继续将数据收完解析并处理；否则进入睡眠模式。

其具体的软件流程如图5所示。该软件设计需使用状态机，主要有3个状态：接收，发送和基带控制。当处于接收时，SI1015完成对RF数据的监控，当有数据时，将其接收完并将状态变为发送；否则睡眠，并定时唤醒。当处于发送状态时，SI1015将消息发送给基带芯片，由基带完成对消息的解析以及和平台的交互工作，状态变为接收，进入睡眠。当终端收到平台的家电控制命令时，终端主动发出中断唤醒SI1015，此时SI1015在中断服务程序中将状态机变为基带控制，在此状态下，SI1015完成接收基带发出的消息，并将消息通过天线发出，最后将状态变为接收，进入睡眠。

4 小结

智能家居是人们追求高品质生活的体现，势必掀起一场人们生活习惯的变革。而433 MHz无线收发模块非常适合于低功耗、低速率的监视、传感网络。物联网智能家居系统利用433 MHz无线收发技术，为实现成本低廉、准确有效、安全可靠、快速的智能家居系统提供了可能。

图5 终端433模块软件流程图

[1]苗国耀,程辉.智能家居安防报警系统的设计[J].科技创新导报，2011（11）：55.

[2]施军,黄卫东.物联网打造智能家居[J].中国电信业，2010（12）：70-71.