智能家居無線網(wǎng)絡通訊協(xié)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(xiàn)遠程數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通訊平臺,，其中nRF24L01 射頻模塊有32 個字節(jié)的數(shù)據(jù)載荷長度,。通過對載荷數(shù)據(jù)幀格式的定義，完成了無線通訊協(xié)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(wǎng)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(lián)動,。
家庭網(wǎng)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(xié)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(jīng)頒布并在實際中應用；第三層（API）是家庭網(wǎng)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(shù)據(jù)通訊協(xié)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(wǎng)芯片ENC28J60 接收遠程控制數(shù)據(jù)包,，完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，將應答數(shù)據(jù)以json 數(shù)據(jù)格式（一種數(shù)據(jù)保存格式）通過網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(diào)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(nèi)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(shù)據(jù)發(fā)送端；其它作為節(jié)點設備數(shù)據(jù)接收端,。接收端完成命令數(shù)據(jù)接收,，依據(jù)命令內(nèi)容聯(lián)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(nèi)容決定,。
在Enhanced ShockBurst TM 收發(fā)模式下，使用片內(nèi)先入先出堆棧區(qū),，數(shù)據(jù)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(xié)議相關的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行，這樣有三大優(yōu)點：節(jié)能,；系統(tǒng)費用低,；數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包,。
（2） 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀,，并定時2 秒，超時或成功接收從控制器設備應答數(shù)據(jù)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(xiàn)互鎖“假死”狀態(tài),。
（3） 如果成功接收從控制器設備應答數(shù)據(jù),，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(shù)據(jù)包，并對該數(shù)據(jù)包的驅動接口數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)包。
?。?） 對數(shù)據(jù)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(xiàn)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,。
（3） 根據(jù)輸入的應用數(shù)據(jù)（記錄控制數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)）,，操作設備將設備狀態(tài)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)幀,。完成后，射頻模塊配置進入發(fā)送模式,，將發(fā)送數(shù)據(jù)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(xié)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(nèi)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(shù)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(diào)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(shù)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(xié)議
無線射頻模塊nRF24l01 對應收發(fā)模式的數(shù)據(jù)有效負載最大為32 個字節(jié),，該數(shù)據(jù)包作為一幀數(shù)據(jù),，其中可分成三類數(shù)據(jù)：驅動接口數(shù)據(jù)，記錄控制數(shù)據(jù)以及記錄數(shù)據(jù),，輸入幀與輸出幀數(shù)據(jù)類型相同,。數(shù)據(jù)格式如表1.
表1 幀數(shù)據(jù)格式
（1）驅動接口數(shù)據(jù),。
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(shù)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,。
（2）記錄控制數(shù)據(jù),。
Result：操作結果碼,，1 字節(jié)表示，當有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時，表示當前節(jié)點操作的記錄長度,。
?。?）記錄數(shù)據(jù)Records：記錄數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式
該Len 值與記錄控制數(shù)據(jù)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(xié)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(xiàn)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(xié)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(xié)議的設計主要有以下特點：
?。?）統(tǒng)一外設，將外部設備抽象成標準文件,，并在控制器內(nèi)存記錄文件內(nèi)容，操作指定設備只需訪問該設備映射文件所處內(nèi)存空間數(shù)據(jù)即可,，規(guī)范外設標準,，提高通訊效率。
?。?）通訊協(xié)議的制定極大的優(yōu)化了主控制器與射頻模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸性能,，主控制器只需根據(jù)固定的通訊協(xié)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(shù)據(jù)處理過程。
4 通訊協(xié)議實現(xiàn)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(nèi)的溫度，并能以圖形方式展示給用戶,，用戶可以根據(jù)需要自行控制室內(nèi)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(wǎng)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(jù)需要控制家庭的燈光效果,，具有調(diào)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(shù)據(jù)說明見表3.
表3 燈控記錄數(shù)據(jù)
記錄數(shù)據(jù)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(diào)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(shù)據(jù)幀如表4，輸出數(shù)據(jù)幀如表5.
表4 輸入數(shù)據(jù)幀
表5 輸出數(shù)據(jù)幀
輸入數(shù)據(jù)幀與輸出數(shù)據(jù)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(diào)。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(shù)據(jù)返回結果碼，0x00 表示操作成功,。在輸入數(shù)據(jù)幀中無意義,。
本例中，只有1 個記錄值,，因此在數(shù)據(jù)輸入,、輸出幀記錄地址Start 從0x00 開始,，數(shù)據(jù)幀長度Len 為0x01.
讀命令、寫命令數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)幀為基礎，最終完成了針對較低成本智能家居的通訊協(xié)議設計,。在實際操作過程中,，也能夠通過網(wǎng)頁Web 的調(diào)節(jié)控制，最終能夠達到對終端文件設備的控制,，實現(xiàn)對燈控設備的開關,，調(diào)亮，調(diào)暗等功能,。能在發(fā)出命令后1 秒內(nèi)返回準確數(shù)據(jù)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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