基于RF的智能家居无线通信网络系统设计＊

姚长标，王超，骆德汉，李智敏，高桂丽

（1.瑞德电子实业有限公司，佛山528300；2.广东工业大学；3.三环知识产权深圳总部）

引 言

随着通信技术、网络技术、控制技术、人工智能技术的发展以及物联网概念的提出，人们对家居环境的舒适程度和智能化程度要求越来越高，享受物联网智能家居生活已成为趋势。早期的智能家居产品通过综合布线等方式实现家庭内部各种电气设备和电子系统的连接［1］，来达到对内部实现资源共享，对外部通过网关与外部网络互联进行信息交换，但是有线组网受布线难、成本高和可重布置性差等因素的制约而淡出历史舞台。近几年，无线网络研究在全世界范围内兴起，各种频段的无线通信技术迅猛发展，对无线智能家居网络的研究已经成为新的研究热点。其中，RF、ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术在智能家居系统中已得到广泛应用。然而，如何建立一个高效率、低成本的物联网智能家居系统仍是亟待解决的问题。

本文提出了一种基于433MHz的无线RF模块，进行智能家居内部家电设备，组建无线通信网络的解决方案。433MHz的无线RF模块以低成本、低功耗、较好的安全性、网络容量大、穿透障碍物能力强等特点，成为组建智能家居网络的首选。此设计在达到理想的智能家居功能效果的同时，能够进一步控制智能家居产品价格，使得更多人可以体验物联网智能家居给生活带来的乐趣和便利。

1 无线通信网络系统总体设计

图1为基于RF的智能家居无线通信网络系统的总体结构图，系统主要分为两部分，即安装在无线网关上的RF服务器和安装在各家电设备上的RF终端设备。无线网关可以通过安装在自身的WiFi模块接收由平板电脑或者是智能手机下发的功能控制或状态查询命令编码，再按照预先制定的RF协议把数据整合后传递给无线网关上的RF服务器，RF服务器提取出有用的数据字节后，再经过重组整合并通过射频模块发送给无线通信网络中的各家电设备上的RF终端设备［2］。

图1 无线通信网络系统总体结构图

为了方便平板电脑或智能手机能够及时地从RF服务器中获取当前家电设备的状态信息，RF服务器会不断对各RF终端设备发送状态查询的广播消息。各RF终端设备可以接收RF服务器下发的数据，通过数据中的产品编号来判断是广播消息还是具体控制某一家电设备的消息。若为控制某一具体家电设备的私有消息，各个家电设备上的RF终端设备通过判断消息对应的数据帧中的产品编号是否与自己的编号一致，若一致则接收数据信息，并通过处理，最终传递给家电控制器执行相应操作；否则，不接收数据，不作任何处理。各RF终端设备也会及时地从相应的家电设备控制器中获取该家电设备的最新状态信息，以便当其接收到RF服务器的状态查询广播消息时，能够及时地反馈各家电设备的最新状态。

2 无线通信网络系统硬件平台设计

在智能家居无线通信网络中，由于操控设备和各家电设备之间所有的控制指令和状态信息的传输都是在室内进行，所以要求选用的无线通信技术要具有较强的穿越障碍物的能力［3］。常用短距离无线通信技术中的蓝牙、WiFi、ZigBee等模块价格较高且都工作在2.4GHz的ISM频段，穿越障碍物的能力受限，最终导致在控制精度和灵敏度上受到了严峻的考验。而无线RF技术模块工作在433MHz的ISM频段，穿越障碍物的能力比上述模块效果好，且价格低廉、功耗低、传输速度快、信息实时性好，非常适合在智能家居中应用。

本文提出一种基于433MHz的频段射频技术方案，需要设计相关的无线RF模块，并用其搭建无线网关上RF服务器和家电设备上RF终端的硬件平台，进而组建智能家居内部无线通信网络。其中，RF服务器和RF终端设备的硬件资源完全相同，都是由所设计的无线RF模块作为信息载体。

2.1 433MHz频段无线RF模块电路设计

如图2所示，无线RF模块主要由PIC16F726单片机和高度集成的射频芯片Si4421组成。

PIC16F726拥有高达16MHz的高精度内部晶振、内部8KB的FLASH和368B的RAM、2个8位定时器、1个16位的定时器和1个SPI同步串行口等，其具有低功耗、高速率、低成本和极高的性价比等特点，非常适合在无线小模块中作为控制器来应用。

图2 无线RF模块电路原理图

Si4421是Silicon Laboratories公司的EZRadio系列芯片，是一颗全集成的单晶片低功耗、多频道的FSM收发器，是具有弹性、低成本、高集成度，生产中无需统调的产品。它所需的RF功能都集成在一起，外部仅需要一个晶振和几个退耦电容即可工作，在无须申请注册的433MHz、868MHz、915MHz频段的实际应用完全符合FCC和ETSI的相关规定［4］。它的自动频率控制特性容许使用低精度晶振（低成本），使整个无线RF模块的成本降到最低，全集成的数字数据处理特性也极大地降低了微处理器的控制负担。

2.2 RF服务器和RF终端设备电路连接设计

如图3所示，RF服务器（即无线网关上的无线RF模块）与无线网关的主控芯片通过SPI接口进行数据交互，其中无线网关主控芯片的SPI接口的NSS引脚功能被释放，使其变成普通的GPIO口。通过配置主控芯片的SPI寄存器来启用软件控制从设备管理，主控芯片SPI接口的NSS引脚在数据传输期间被内部自动置为高电平（即配置为SPI主模式），而NSS引脚（普通的GPIO）则可以通过配置GPIO相关寄存器拉低电平，来选择无线RF模块这样的SPI从设备。

图3 RF服务器电路连接图

如图4所示，RF终端设备（即家电子设备的无线RF模块）也是通过SPI接口与家电设备的主控芯片进行信息交互［5］。RF 终 端设备实时地采集传感器的数据及状态信息，接收RF服务器下发的功能操控或状态查询指令编码，并经过整合重组后把家电功能控制信息传递给家电设备的主控器，使得家电执行相应的操作和状态修定，同时也可以及时地把采集到的家电状态信息反馈给RF服务器。

图4 RF终端设备电路连接图

3 无线RF通信协议设计

为了保证无线通信网络系统能够准确地进行信息数据的传输，设计了无线RF通信协议帧，如图5所示。每一款家电的功能和状态信息都会通过这种数据帧格式表达出来。该数据帧共由10字节组成，其中第1个和第2个字节分别固定为0x88和0xAA，它用来证明该数据帧是瑞德电子实业有限公司的家电信息数据，也只有通过这两个字节的信息验证，RF服务器或RF终端设备才会接收并进行相应的处理，否则，会认为不属于有效数据而抛弃［6］。

图5 无线RF通信协议帧

第3个字节代表家电产品的类型编号，例如0x01代表电磁炉，0x02代表压力煲，0x03代表风扇等。第4个字节是该数据帧格式中比较重要的组成部分，它又分成三部分，其中7～4位代表家电产品的具体个数；3～2位代表产品的消息体类型，决定了这一帧数据将要执行的具体任务，包括“00”、“11”和“01”三种类型，其中“00”和“11”分别代表RF服务器对RF终端设备发送状态查询和动作控制数据帧，“01”则代表RF终端设备在接收到RF服务器的状态查询数据帧后对其进行家电最新状态的信息反馈；1～0位代表产品要执行的功能状态，“00”代表不预约、不定时的工作，“01”代表预约，“11”代表定时。

第5个字节代表家电产品功能，例如若该数据帧代表的是电磁炉，那么0x01代表关机，0x02代表火力等。第6、7两个字节要根据具体的家电的功能以及具体的控制要求来变化。第8、9两个字节固定为0xFF。第10个字节是整个数据帧的校验的，是上述9个字节的数值进行异或得到的，当RF服务器或者是RF终端设备识别并接收到数据帧的时候，重新计算校验位的值并与数据帧原来第1个字节的值对比，若相同则证明数据帧有效，否则抛弃。它可以验证数据在传输过程中是否由于某种原因而出现错误。

4 无线通信网络系统的软件设计

4.1 无线网关上的RF服务器软件工作流程

为了能够及时地捕捉到上端控制设备下发的操控或状态查询命令的数据帧，及时地把从家电设备上的RF终端设备上获取的最新家电状态信息传递给上端设备，RF服务器的软件工作于终端，无线网关主控芯片与RF服务器之间SPI通信的比特率设置为70.312 5Kb／s［7］。已知本文所设计的组网家电共11款，即根据图5的数据编码格式，共计有11条对应家电功能状态的数据帧。按照正常的控制逻辑，上端设备每次只可以对一款家电进行控制。

当无线网关通过WiFi模块接收到上端设备下发的数据帧后，通过数据重组后，组合成一个包含有11款家电功能状态信息的数据帧的数据包，并通过SPI通信发送给RF服务器。RF服务器接收到数据包后，判断该数据包中的11条数据帧中的消息体类型是否有且仅有一个为“11”或者都为“00”，若其中有且仅有一款家电的数据帧中消息体类型为“11”，则把它保存下来，并把它处理成待发送的状态改变帧并通过Si4421下发出去，其余的10条家电的数据帧则全部舍弃。为了上端设备能够实时地获取家电设备的状态信息，会每隔一段固定的时间对家电设备进行状态信息查询。RF服务器程序流程图如图6所示。

4.2 家电设备上的RF服务器软件工作流程

RF服务器下发的控制命令数据帧主要有3种：全开、全关广播消息数据帧，控制家电设备的全开或者全关；家电设备状态查询数据帧，用来查询各家电设备当前最新的工作状态；操控具体家电功能数据帧，用来控制某一款具体的家电进行状态的改变。

如图7所示，家电设备上的RF终端设备接收到RF服务器下发的数据帧后，判断数据帧的类型，若是全开、全关广播消息数据帧，则每个家电设备全开机或者关机；若是家电设备状态查询数据帧，则各家电设备按照产品编号顺序反馈自己的状态信息给RF服务器；若是操控具体家电功能数据帧，则每个家电设备判断接收到的数据帧的产品编号是否与自己的一致，若是，则接收数据并经过数据整合后传递给家电控制器执行相应的操作，否则不接收［8］。

图6 RF服务器程序流程图

图7 RF终端设备程序流程图

结 语

本文提出了一种基于RF的智能家居无线通信网络系统的设计，该无线通信网络系统采用低功耗、低成本、高速率的无线RF模块组建无线网关上的RF服务器和各家电设备上的RF终端设备，进而搭建了整个智能家居内部的无线通信网络。该无线通信网络设计既解决了智能家居内部组网及无线操控的问题，又降低了智能家居控制系统的成本，使大多数家庭能够享受舒适、智能、安全的生活环境。实验表明，该无线通信网络系统性能稳定、控制灵敏、抗干扰性强、扩充能力强，具有很好的通用性，非常适合在智能家居系统中应用。

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