Sub-G下的自组网家庭智能照明系统的实现

张珣 殳佳辉

摘 要：鉴于Sub-G频段具有相同功率下传输距离远的优点，设计在Sub-G频段下建立家庭智能照明无线控制网络，该网络具有自组网能力，为树形拓扑结构，在大大提高信息传递效率的同时还能够对设备进行“精确定点”，使得设备在安装、管理与维修方面具有巨大优势。借助该系统不仅可以搭建整套智能家居，还可以为区域照明提供无线控制解决方案。

关键词：Sub-G频段;自组网;智能照明;树形拓扑

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）02-00-03

0 引 言

近年来，物联网和智能家居产业蓬勃发展，无线通信及其协议也再次成为热门研究方向。目前市场上应用于物联网和智能家居产业的无线通信协议主要有WiFi，ZigBee和蓝牙[1]三种。这三种无线协议都有其各自的优点与缺点。本文项目旨在构建一种小型但成本低、能耗低、适应性好、维护性好且更加安全的无线通信协议，为智能家居乃至小区规划、区域建设提供新思路[2]。

该无线协议搭建在433 MHz频率下，为了适应不同的应用场景并兼顾网络节点的稳定性和覆盖区域，该协议使用树形-星形混合拓扑，继承了树形拓扑的完整父子逻辑，并在此基础上建立了设备结构层级，极大地提高了信息传递的精确度，在防止信号和能量冗余方面也有显著效果[3-4]。同时，该协议的特殊结构以及自动组网的特性使得设备节点的安装、检修十分方便，亦可广泛应用于工厂设备管理中。

1 系统总体结构

本文系统采用Sub-G频段自组网技术，网关与终端节点自动组成树形拓扑结构网络进行通信。用户可以通过移动设备或者网页端进入控制界面，对家庭智能设备进行控制。控制流程如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制电路模块

通过分析市场上的射频芯片，决定将BQ3905作为系统的主芯片[5]。BQ3905是一个高度集成的Wideband FSK多通道半双工收发器，运行在低于1 GHz的无许可ISM波段，接收部分为完全集成的low-if架构。采用Fractional-N合成器进行PLL调制，用于FSK传输。BQ3905适用于无许可证（ISM）波段的无线应用，高度集成，仅需很少的外部组件。BQ3905的频段选择较多，为系统选择433.92 MHz频段进行组网通信。基于BQ3905的無线模块电路设计如图2所示。

控制电路的主控芯片采用松翰公司设计生产的UTF87001[6]。UTF87001是一款增强型8051微控制器，拥有高达32 MHz的CPU频率，4 kB非易失性FLASH存储器（IROM），支持在线编程功能，256 B内部RAM，

13个中断源，可控制中断的优先等级以及独立的中断向量，12个内部中断，1组8/16位PWM发生器，12位SAR ADC，包括10个外部通道和2个内部通道，以及4个内部参考电压，SPI/UART接口，支持SMBus的I2C接口，工作电压范围大（1.8～5.5 V），温度范围为-85 ℃～-40 ℃，可应用于无刷直流电机、家用自动化产品等。UTF87001 14引脚封装如图3所示。

上述芯片不仅拥有较强的稳定性和处理性能，其成本相比市面上其他射频芯片与MCU也有较大优势，符合本文通信协议的“低成本”要求。

2.2 射频电路接收板

射频电路接收板连接P0.1～P0.3，P0.7为拨码开关，P1.5为PWM输出可控硅控制电路接口，P1.6为过零电路同步信号输入引脚，P1.7引脚标红，代表有改动或者新增引脚，P1.8为拨码开关，一侧接引脚，一侧下拉到VSS[7]。除上述引脚与下载口外，需再引出VDD排针和VSS排针。接收板芯片如图4所示。

可控硅过零电路：交流220 V信号直接接2个1 MΩ电阻，作为同步信号，输入到过零电路同步信号输入引脚。此外射频电路接收板还增加了物理开关，控制220 V进电。

2.3 射频电路发送板

发送板使用5708芯片，无需调光。此外，引脚和片上元件除SWAT外，布局与接收板完全相同。芯片引脚如图5所示。

2.4 灯控模块

本文项目采用的LM78 WiFi灯控模组拥有业内极富竞争力的封装尺寸和PWM调制技术。LM78智能灯模组可广泛应用于球泡灯、LED数码管、LED网屏、全彩LED点光源等，支持各种语音控制，包括亚马逊语音控制[8]。

3 系统软件设计

3.1 软件主控流程

节点设备持续等待发送端的网络信号，当接收到来自发送端的信号后通过通信协议判断该信号的具体内容。若是有效请求进入，则广播数据包延时50 ms，同时接收模式延时2 s，之后判断是否有应答返回。若是，则等待，若否，则继续等待网络数据。软件主控流程如图6所示。

3.2 组网构建

网络设备分为投放节点、运输节点与目标节点三种类型，其等级依次降低。某一设备只能主动向同级或低级设备发送组网请求，但能够被动接收高级设备的组网邀请。相比于普通的网状设备，即网络通过泛洪（将信息发送给所有能连接到的节点）方式进行数据传输，这种分类型的设备结构层次不仅能提高信息的传递效率，也能做到设备的“精确定点”，这在设备的安装、管理与维修方面都具有巨大优势。组网架构如图7所示。

组网结构为树形拓扑结构，而第二层（运输层）节点之间又构成星形拓扑结构，不仅弥补了普通树形拓扑链路数量较少的缺点，也使得整个路由协议更加灵活。而第三层（目标层）采用多连接树形结构，既具有普通树状拓扑的完整父子逻辑，又不失星形拓扑的广度，在实际路由过程中能兼顾较少运算量和较精确路由规划两大方面，是控制成本与功耗的软件基础。

组网协议是深度为三层的层间通信协议。由于每层的节点等级不同，因此具有不同的功能。最底层的目标节点只具有接收、处理与上报数据的功能，是组网结构中的最末端节点;第二层的运输节点能够对信息进行转发，包括上报、下达与同级传递三种转发方式，是组网协议中的核心信息传递层;第一层的投放节点是组网协议中等级最高的节点，具有下达建立组网消息、收集子节点信息等功能。

3.3 报文格式

在组网结构中，每一个设备都有唯一的16位设备ID，其ID命名方式為区+域+块，用于设备间的识别和信息的精确转发。组网协议以报文形式传递信息，一帧报文共15 B，其格式如下：

[0]头序列码 [1]下一跳地址高

[2]下一跳地址低 [3]目标地址高

[4]目标地址低 [5]上一跳地址高

[6]上一跳地址低 [7]目标地址高

[8]目标地址低 [9]数据描述符

[10]数据声明符 [11]数据位高

[12]数据位低 [13]校验码

[14]尾序列码

一帧报文中，头序列、尾序列与大部分协议一样均用于报文的同步;上一跳、下一跳地址用于节点与节点之间的报文传递;源地址、目标地址用于报文定位来源与需要传递的目的地;数据申明与描述符用于数据类型的判断;校验码用于报文的校验，检验码的形式为报文第一到十二字节的无符号加法再取反。

同时，为了限制报文转发深度，防止陷入“三角转发”的死循环，协议中还规定了同一报文的转发次数。当转发次数到达上限时，将该报文视为不可到达，将其丢弃。

3.4 加密算法

由于系统采用无线通信，因此安全性是重要的考虑因素。协议采用阶数可变的边沿检测型加密算法—Manchester差分编码。相比普通的加密算法，Manchester编码能够自动携带相位信号，但缺点是运算量较大、硬件资源消耗量较大、效率最高只能达到50%。改进后应用于组网协议的Manchester差分编码以电平跳变为相位，有跳变帧的对应编码为1，无跳变帧的对应编码为0。因此只需知道第一位数据与每两位数据的跳变信息就能够将原信息解码，大大降低了硬件资源需求和运算量，并且能达到100%的信息传输效率。为了弥补由于算法简化带来的安全风险，特在无线协议中使用了一种约定式加密阶数的方案。设备在刚入网时会以一个随机的Manchester差分加密阶数进行通信，该阶数会在重启或一定时间后自动更换，以降低数据被解码的可能性，从而保障数据安全。Manchester差分编码时序如图8所示。

4 系统测试

本文对家庭智能照明系统进行了详细测试，发现测试结果符合预期要求。主要测试了下面几个测试点：

（1）18个节点（包括3个二级节点与15个一级节点）与1个网关节点之间的三层组网过程;

（2）网关节点与子节点间的单点通信，实现对单灯状态的控制;

（3）网关与所有子节点间的多点控制，实现对区域内所有灯状态的控制;

（4）二级节点与三级节点之间的转发过程;

（5）射频板的穿墙性能。

5 结 语

本文项目设计的无线通信协议基于物联网通信需求，为其量身定制了一套稳定、高效的组网系统。该系统提供了能够满足不同场景下物联网设备的组网模式，不论设备的档次高低与规模大小，都拥有良好的稳定性与快速组网能力。同时，其低成本、低功耗的特点也能使物联网技术更好地发挥其优势，更好地服务于信息化、智能化的城市建设。

参 考 文 献

[1]贾正松.基于单片机实现智能照明控制系统的设计[J].现代电子技术，2009，32（17）：113-115.

[2]张建碧.智能照明控制系统发展趋势[J].无线互联科技，2013（5）：47，75.

[3]宋圣涛.基于EnOcean的智能家居系统的研究与实现[D].杭州：浙江理工大学，2016.

[4]刘蕴.LED智能照明控制系统的研究与设计[D].西安：陕西科技大学，2013.

[5]周芳，刘美根.智能照明控制系统在电气照明节能设计中的应用[J].低压电器，2007（16）：20-23.

[6] IVAN C，VINEETHA K，NAING W，et al. Design of an energy-saving controller for an intelligent LED lighting system[J].Energy & amp，buildings，2016，120（5）：1-9.

[7]李智，涂亮，孙先松.基于ZigBee技术的智能照明系统设计[J].物联网技术，2012，2（4）：29-31.

[8]惠苏渊.家庭网络各种连线方案的比较[J].电脑知识与技术，2003（16）：68-70.