“智能家居”（smart home)又稱(chēng)智能住宅，它利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、嵌入式系統技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)與傳感器技術(shù)等，把家中的各種設備有機的結合起來(lái)，優(yōu)化用戶(hù)生活方式，方便用戶(hù)管理設備，并能通過(guò)場(chǎng)景設定使多個(gè)設備間形成聯(lián)動(dòng)。

家庭網(wǎng)絡(luò )的分層結構中，整個(gè)系統分成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(hù)接口層（UI）。其中第一、二層標準已經(jīng)頒布并在實(shí)際中應用；第三層（API）是家庭網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，是當前業(yè)界研究的熱點(diǎn)；第四層是應用程序層，是在第三層的基礎上由技術(shù)人員開(kāi)發(fā)的各種應用程序；第五層是各種用戶(hù)接口（UI）工具，包括各種遙控裝置、應急開(kāi)關(guān)、求助按鈕以及其它可視接口設備，對整個(gè)系統性能的發(fā)揮和使用至關(guān)重要。本文主要針對第三、四層結構，設計符合智能家居系統平臺的數據通訊協(xié)議。

1 系統總體方案

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(wù)器，通過(guò)以太網(wǎng)芯片ENC28J60接收遠程控制數據包，完成數據解析后通過(guò)射頻模塊發(fā)送控制命令，延時(shí)并接收節點(diǎn)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(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送局部更新Web信息，達到監測控制家居環(huán)境的效果。

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字節的程序存儲空間，20K字節的RAM，最高工作時(shí)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的開(kāi)發(fā)與設計。

圖2 中，該芯片通過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)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(jiǎn)單、實(shí)用的嵌入式智能家庭網(wǎng)關(guān)及終端控制方案。
1.3 射頻通訊單元

接收部分采用無(wú)線(xiàn)射頻模塊nRF24l01，該模塊在2.4GHz全球開(kāi)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(gè)頻道，滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要；內置硬件CRC 校錯和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制［9］。其中至少兩個(gè)模塊組成了通信系統，圖3中，一個(gè)作為主控制器數據發(fā)送端；其它作為節點(diǎn)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(lián)動(dòng)對應設備；完成命令后節點(diǎn)射頻模塊進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，返回當前節點(diǎn)設備狀態(tài)。

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，數據從微控制器低速送入，高速發(fā)射，速率為1Mbps，通過(guò)這種節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(guān)的所有高速信號處理都在片內進(jìn)行，這樣有三大優(yōu)點(diǎn)：節能；系統費用低；數據空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。同時(shí)也減小了整個(gè)系統的平均工作電流。

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(wú)線(xiàn)通信系統是在同一信道下，初始狀態(tài)下只有一個(gè)發(fā)射節點(diǎn)，多個(gè)接收節點(diǎn)，主控制器射頻流程如圖4.

（1） 等待網(wǎng)絡(luò )數據包的到來(lái)，nRF24l01射頻模塊啟動(dòng)發(fā)送模式，在配置信道上通過(guò)廣播方式發(fā)送，延時(shí)50ms，保證每個(gè)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(shí)2秒，超時(shí)或成功接收從控制器設備應答數據則重新自動(dòng)配置成發(fā)送模式并返回第1步，防止射頻模塊全部進(jìn)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(jìn)入等待狀態(tài)。

2.2.2 從控制器射頻流程

所有接收節點(diǎn)接收該數據包，并對該數據包的驅動(dòng)接口數據進(jìn)行解析校對，比如接收地址匹配，命令碼，操作文件？有匹配節點(diǎn)則進(jìn)入驅動(dòng)應用程序并執行操作。該射頻模塊多數情況下處于接收模式，具體流程如圖4：

（1） 從控制器節點(diǎn)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(dòng)接口部分進(jìn)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(dòng)接口則進(jìn)入驅動(dòng)應用程序。

（3） 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(xiě)入發(fā)送數據幀。完成后，射頻模塊配置進(jìn)入發(fā)送模式，將發(fā)送數據幀返回主控制器，并延時(shí)1秒。

（4） 判斷是還發(fā)送成功，失敗則重新進(jìn)入步驟（1），成功則結束，同樣進(jìn)入初始化狀態(tài)。

3 無(wú)線(xiàn)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(jìn)行統一控制，必須對各種設備進(jìn)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(lèi)：文件讀?。≧ead），文件修改（Write），文件控制（Control）。

Read：讀設備文件操作，即對節點(diǎn)設備狀態(tài)掃描查詢(xún)，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(xiě)、控制設備操作類(lèi)似。

Write：寫(xiě)設備文件操作，即對節點(diǎn)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，即對節點(diǎn)設備狀態(tài)的調節。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(xié)議

無(wú)線(xiàn)射頻模塊nRF24l01對應收發(fā)模式的數據有效負載最大為32個(gè)字節，該數據包作為一幀數據，其中可分成三類(lèi)數據：驅動(dòng)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(lèi)型相同。數據格式如表1.

（1）驅動(dòng)接口數據。

Dest：接收端地址，1字節表示，屬性值從0-255，可以表示256個(gè)節點(diǎn)地址，滿(mǎn)足多數智能家居的節點(diǎn)資源。

Src：發(fā)送端地址，1字節表示，與Dest 意義相同。

Cmdid：節點(diǎn)命令碼，1字節表示，如上文表示，共有三種類(lèi)型：0x01，表示讀命令（read）；0x02，表示寫(xiě)命令（write）；0x03，表示控制命令（control）。

節點(diǎn)即對應從控制器編號。

Fileid：文件標志符，1字節表示，即節點(diǎn)地址上對應的設備號，最大支持0x00-0xFF 256個(gè)文件。

（2）記錄控制數據。

Result：操作結果碼，1字節表示，當有數據返回時(shí)，要求填寫(xiě)該字節。0x00，操作成功；0x10，非法節點(diǎn)；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(wú)效值。

Start：記錄開(kāi)始值，1字節表示，當有多條記錄操作時(shí)，該值即對應的記錄序。

Len：記錄長(cháng)度，1字節表示，當作為輸入數據時(shí)，表示記錄操作的長(cháng)度，如果Len值大于當前節點(diǎn)的最大記錄長(cháng)度，則取當前節點(diǎn)記錄長(cháng)度最大值；當作為輸出數據時(shí)，表示當前節點(diǎn)操作的記錄長(cháng)度。

（3）記錄數據Records：記錄數據緩沖，緩沖區達25個(gè)字節。

該緩沖區可存放多條記錄，記錄格式如表2，每條記錄字節長(cháng)度不一，一般在3-5個(gè)字節左右，最多能存放8條記錄。

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長(cháng)度，其中并不包含本身字節長(cháng)度，1個(gè)字節長(cháng)度；Opt值為保留字節，一般無(wú)意義，控制命令與該字節相關(guān)，1個(gè)字節度；Content為設備文件的記錄值，記錄字節長(cháng)度不定，一般1-2字節長(cháng)。

3.2 協(xié)議擴展與特點(diǎn)

地址資源，單字節的Dest與Src地址分配對于普通的智能家居用戶(hù)完全能滿(mǎn)足要求，對于家居環(huán)境復雜，地址分配點(diǎn)較多的用戶(hù)，可能會(huì )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。滿(mǎn)足65535個(gè)節點(diǎn)要求。

節點(diǎn)命令碼，三種命令類(lèi)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，默認值為0x00，該字節主要針對控制操作，用于記錄控制操作符，如表2說(shuō)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(diǎn)：

（1）統一外設，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(fǎng)問(wèn)該設備映射文件所處內存空間數據即可，規范外設標準，提高通訊效率。

（2）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據傳輸性能，主控制器只需根據固定的通訊協(xié)議格式填充即可，簡(jiǎn)化其處理過(guò)程。

（3）同樣簡(jiǎn)化了從控制節點(diǎn)的數據處理過(guò)程。

4 通訊協(xié)議實(shí)現結果

按照系統功能需求的劃分，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：系統實(shí)時(shí)采集室內的溫度，并能以圖形方式展示給用戶(hù)，用戶(hù)可以根據需要自行控制室內溫度。

智能安防控制：系統集成防盜、防劫等功能，能夠通過(guò)網(wǎng)頁(yè)遠程監控家居狀況，并能查詢(xún)控制警報器的狀態(tài)。

智能照明控制：用戶(hù)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(mǎn)足用戶(hù)的需求，還能達到節能和環(huán)保的功能，其記錄數據說(shuō)明見(jiàn)表3.

記錄數據的首字節Len表示當前記錄字節長(cháng)度，照明的三種控制方法具體說(shuō)明如下：

Read：讀當前燈的亮度。

輸入：無(wú)。

輸出：Opt保留字節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0x00.Value 為要設置的亮度值。

輸出：Opt保留字節0x00.Value 表示當前燈的亮度值（0x00-0x09）。

Cnt：調節燈的亮度。

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(wú)意義。

輸出：Opt為保留字節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(shí)讀取與返回，設備的讀操作無(wú)記錄輸入，有記錄輸出；寫(xiě)操作與控制操作有記錄輸入，同時(shí)有記錄輸出。假設當前操作節點(diǎn)為0x00，主控節點(diǎn)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.

輸入數據幀與輸出數據幀進(jìn)行相互轉換時(shí)，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(xiě)命令，則該字節設置為0x01或0x02.由上已知當前操作節點(diǎn)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(wú)意義。

本例中，只有1個(gè)記錄值，因此在數據輸入、輸出幀記錄地址Start從0x00開(kāi)始，數據幀長(cháng)度Len為0x01.

讀命令、寫(xiě)命令數據幀類(lèi)似，參照控制命令格式。

5 結論

本系統中，以嵌入式Web服務(wù)器為架構，實(shí)現了對智能家居終端設備的遠程監測與控制，并以nRF24L01射頻模塊32字節的數據幀為基礎，最終完成了針對較低成本智能家居的通訊協(xié)議設計。在實(shí)際操作過(guò)程中，也能夠通過(guò)網(wǎng)頁(yè)Web的調節控制，最終能夠達到對終端文件設備的控制，實(shí)現對燈控設備的開(kāi)關(guān)，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，保證該系統的實(shí)時(shí)控制，具有較高應用價(jià)值。



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