利用433MHz射频通信技术实现智能家居系统.doc

文章编号: 1001 9081( 2012) S2 0068 05利用 433 MHz 射频通信技术实现智能家居系统*刘杰 ，章韵，陈建新( 南京邮电大学 计算机学院，南京 210003)( * 通信作者电子邮箱 chenjx njupt edu cn)摘 要: 智能家居是当前物联网主要应用之一，当前采用技术主要有 ZigBee 和 Z-Wave 技术。然而 ZigBee 技术由 于受功耗限制，穿透力较差，极易受家具或墙壁影响; 而 Z-Wave 虽然能够克服上面问题，但非开放式标准，存在系统 兼容性问题。针对上述问题，提出 433 MHz 无线射频技术实现智能家居系统的解决方案。详细介绍了家庭网络系统 架构、通信协议和高效的频带分配算法设计，并给出了可行的解决方法。最终测试结果表明，使用 433 MHz 射频技术 可以很好地解决传输能力和频带资源分配问题，进一步推进智能家居的应用。关键词: 433 MHz; 无线射频; 智能家居; 频带分配; 通信协议中图分类号:文献标志码: ATP393Implementation of smart home using 433 MHz radio frequency techniqueLIU Jie* ， ZHANG Yun， CHEN Jian-xin( School of Computer， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing Jiangsu 210003， China)Abstract: The smart home is one of applications in the Internet of Things， and ZigBee and Z-Wave are two maintechniques for its implementation However， ZigBee is constrained by battery-power， which results in weak penetrating， therefore easily affected by the furniture and wall Z-Wave may combat the above problems， but it is not open， which constrains its wide usage To solve above problems， the paper proposed an approach for smart home system using 433 MHz Radio Frequency ( RF) technology for wireless communication A detailed description was given about the design of system architecture， communication protocol and a novel bandwidth allocation algorithm Besides that， a feasible solution was proposed The final test results show that the wireless communication technology with 433 MHz RF can efficiently solve the problem of transmission capability and frequency band allocation， which advances the further application of smart homeKey words: 433 MHz; Radio Frequency ( RF) ; smart home; frequency band allocation; communication protocol放了这一标准，吸引了更多的厂商和研究机构对 ZigBee 的研究，使得 ZigBee 在智能家居中成为通行的国际标准。然而2 4 GHz的传输能力有限，在家庭中需要增加中继来拓展网 络; 另外，2 4 GHz 频段上正变得日益拥挤: 蓝牙、Wifi 等技术 都工作在该频段，这使得在使用时需要注意带宽分配问题。本文在设计时采用了 433 MHz 这一低频段来实现无线数 据传 输，考 虑 到 433 MHz 室 内 传 输 能 力 较 强，且 选 用 的 CC1101 芯片14在此频段上具备较多的频点，能够解决家庭引言随着计算机通信、自动控制和微电子技术发展，无线传感 网络1成为当前研究热点，其主要应用领域涉及工业控制、 环境监测和智能家居等。其中智能家居应用尤为瞩目2，旨 在建立由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系 统组成的家庭综合服务和管理集成系统，实现全面安全防护、 便利通信网络以及舒适的居住环境3。目前在智能家居领 域开发应用中，2 4 GHz 的 ZigBee4 和 900 MHz 频段的 Z- Wave5两大技术应用最为广泛。Z-Wave 是一种基于射频的低成本、低功耗、高可靠性的 短距离无线通信技术6。数据传输速率达 9 6 Kbps，信号有 效覆盖范围室内为 30 m，室外可超过 100 m; 单一家庭网络最 多可支持 232 个节点，足以满足一般家庭需求7 9。目前美 国市场上已有成品的 Z-Wave 家居产品销售，包括各种家电控 制设备，如 Zensys 公司推出的远程遥控器、插座等。然而 Z- Wave 联盟并没有开放其标准，束缚了系统的开发和扩展。基于 IEEE 802 15 4 协议10 的 ZigBee 技术是一种短距 离的通信标准，有着近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数 据速率和低成本的特点11。由 ZigBee 协议标准12 13 可知: 一个 ZigBee 网络可容纳 65 536 台设备，有着 250 Kbps 的高带 宽，且节点间通信具备较高的可靠性; 再加上 ZigBee 联盟开0间信道干扰问题; 同时搭配常用的 51 单片机组成智能节点，降低了节点的成本，也降低了开发难度。本文主要阐述了系统中的硬件模块实现、家庭内部网络中的通信协议及通信数 据包设计，最后设计了简单的网页，通过访问数据库来测试系 统的可行性及稳定性。系统设计11 1 系统架构整个智能家居系统设计涉及到从上层服务器平台到底层 终端节点，采用自顶向下的设计方法。系统软件基于 B / S 结 构，服务器平台通过以太网与家庭控制系统通信，用户可以通 过 Web 浏览器完成对家庭设备的各种操作; 家庭内部则采用433 MHz 频段的无线通信，完成对家电的控制及环境信息的 采集。整个智能家居体系框架如图 1 所示。收稿日期: 2012-06-21; 修回日期: 2012-07-29。基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 61003236，60973139，61171053) ; 南京邮电大学引进人才项目( NY207021) 。作者简介: 刘杰( 1988 ) ，男，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向: 计算机在通信网中的应用;章韵( 1963 ) ，男，安徽芜湖人，教授，博士，主要研究方向: 计算机网络、物联网;陈建新( 1973 ) ，男，江苏南通人，讲师，博士，主要研究方向: 无线体域网、物联网。而对于数据的处理，选择常用的 STC51 作为 MCU。除此之外，还需要设置电源模块，以满足低功耗可靠节点根据需要在 不同环境中部署。为了适应不同的安放环境，某些环境下将 选择电池供电。例如: 对烟气浓度监测的模块，为了方便移动 和安装，将采取电池供电的方式。图 1 系统框架图图 1 中，服务器平台实现数据的存储及显示，用户则可以 通过终端设备访问服务器以获得家庭节点信息; 而到了用户 家庭中，一套控制系统包括一个家庭网关和各种终端控制设 备。其中: 家庭网关从以太网接收控制信息，在家庭无线网络 中将数据广播出去，设备节点则接收这些信息并执行相应的 动作。终端设备节点则因各自的功能而异，其功能包括监控 门磁开关、采集温湿度及烟雾浓度、红外转发控制家电等。1 2 家庭网关图 2 中家庭控制系统中利用一个家庭网关来管理网络设 备。家庭网 关 采 用 ARM9 处理器作为主控制 器，拥 有 的 Internet 接口、E2PROM、Watchdog 及 RTC 模块则分别用来实现 网络通信、存储配置数据、监测系统运行及提供精确的系统时 钟的功能。同时选用 STC51 单片机作为辅助控制器，负责无线 通信数据格式转换; 并利用 UART 接口与主控制器传递数据。 选用 TI 公司 CC1101 射频模块实现 433 MHz 无线数据传输。图 3 终端设备模块图2通信协议2 1 帧结构在家庭无线通信中，家庭网关与设备节点间数据包采用 固定的格式设计。数据包可分为 8 个部分，主要包括地址信 息、控制信息、数据信息和校验信息。图 4 给出了数据包格式。前三字段分别是: 目的地址、源 地址和家庭编号字段。当模块配置为硬件地址匹配时，CC1101 将根据数据帧的第一字节进行过滤。这三个属性确保家庭网 络设备节点标识的唯一性。这种设置可以同时支持 254 个家 庭用户，每个家庭用户最多可拥有 254 个设备地址。第四字段 为帧编号字段，记录了本次发送数据帧编号，用来实现对发送 帧和回送帧控制。第五个字段为帧类型字段，用于区别帧的类 型。按照功能可分为: 注册帧、控制帧、信息帧、查询帧、确认帧 和报警帧。第六个字段为节点类型字段，用来区别该节点的类 型，即该节点所具备的监测功能。第七个字段为长度 8 字节的 数据字段，携带数据内容。其中数据长度因节点应用不同而 异，如温湿度利用 4 字节来传递数据; 门磁、开关、红外码 ID 只 需要 1 字节来标识。如果某个数据包内包含一种以上监测数 据，则数据内容顺序按照节点类型字段进行定义。第八个字段 为校验字段，对该数据帧前七个字段进行校验。CC1101 可以 提供硬校验数据，添至需要发送的数据帧尾部。图 2 家庭网关模块图终端设备基于智能家居设计要求，可以有多种终端设备。图 3 给 出支持多功能的节点模块，包括: 温湿度采集、烟气浓度监测、 家电控制和门磁安防监测等。在这些终端系统中，需要把采集的数据利用低功耗无线 通信技术发送给网关节点，此处我们利用CC1101 射频模块;1 3图 4 帧结构图协议流程在家庭网络中，家庭网关与设备节点的通信遵循着一定 的逻辑，其协议流程如图 5 所示，包括四个步骤，分别为: 1) 初 始化部分，主要实现设备节点上电注册流程、服务器平台与家 庭网关间配置信息的同步流程。2 ) 服务器请求和控制部分， 主要实现服务器请求设备节点信息、发送控制设备信息流程。3) 节点信息处理部分，主要实现节点发送数据报文流程和节 点异常处理流程。4) 环境信息报警部分，主要实现对环境信 息异常、节点及时上报信息及服务器处理流程。1) 为了记录家庭各终端的信息，家庭网关与服务器中都 维护着同一张设备配置信息表，所以，无论哪一方有配置信息 的变动，都将触发家庭网关与服务器平台交换数据，更新配置 信息。2) 在实现中，家庭网关始终打开着一个 socket 监听端口， 以监听服务器端的连接，等待接收 DATA / CMD 数据包。当收2 2到 服务器数据后，网关解析该数据包，组织图4格式的数据包图 5 通信流程在家庭无线网络中广播。设备终端在接收到网关的数据后，执行相应的操作，并回送携带应答信息的数据给网关，网关收 到回复后对数据进行解析、记录并向服务器平台提交回复。3) 当网关设置的采集时间到，终端根据网关下发的采集 指令上报数据信息。网关将收到的数据包进行记录和解析， 同时检查设备是否异常，如有异常，则上报至服务器平台并发 出报警。4) 家庭设备节点实时监测家庭环境信息，如发现异常则 立即向家庭网关发出报警，随即家庭网关向服务器平台发送 报警。网关与终端节点通信采用主从式轮询方式。通信时设备 间使用固定结构的数据包，并遵循设定的通信协议。在轮询 过程中，根据数据往返时间和节点数目来确定轮询周期。用短消息向手机发送告警或状态信息，电源模块主要是把220 V 电源转换为终端应有的 5 V 直流电源。RS232 串口用 于程序的烧录。CC1101 低功耗通信模块用于终端系统与家 庭网关直接的通信。图 9 给出终端中的红外自学习部分。采用 STC12LE51 单 片机作为处理器，E2PROM 存储红外控制码; 并设计收发电路 分别实现对红外码的学习和发送。图中 USB 部分既供电又提 供 RS232 通信接口来对系统进行调试，实际应用中可去除通信 接口，使用电池供电，以方便移动至更好的位置控制家电。系统实现本章介绍家庭网关和多功能节点的硬件实现及软件执行 流程。3 1 网关系统家庭网关实现中，主要包括 ARM9 主控模块，辅助 MCU 模块，无线传输模块。其中主控 ARM9 采用 mini244015。该 平台提供以太网接口与服务器进行通信，并可以通过串口与 辅助 MCU 进 行 数 据 交 换。 辅 助 MCU 则采用低电压的 STCLE51 系列单片机，将从串口接收的 ARM9 数据，进行协议 转换，控制无线模块( CC1101) 将数据发送出去。3图 8 设备终端实体图图 10 给出终端系统中软件工作流程。系统启动后主要 执行三个任务: 监测无线收发模块，周期性测量传感器，并捕 获传感器异常中断。当无线模块 CC1101 接收到网关发来数 据时，节点执行相应的操作并发送回复; 当节点捕获到传感器 发出的异常，则设置相应的报警信息，同时上报网关节点; 对 于一些传感器，如温湿度等，节点需要定时对其进行采集，并 判断异常。4结果与分析实现结果图 11 给出系统实测结果，利用浏览器来控制智能家居中 的终端系统。此处我们通过浏览器发送电源开关控制指令给 家庭网关系统，家庭网关把控制指令通过 433 MHz 射频技术 转发智能终端系统，终端系统控制电源开关。开关执行后，状 态信息通过 433 MHz 射频发送给网关系统，网关系统再利用 IP 网络通道发送给浏览器，在浏览器中显示当前开关状态。除此之外，还实时给出房间内温、湿度信息的采集，并可 以通过红外转发模块实现对电视机和空调设备进行的相应控 制，包括电视机音量调整，和空调温度设定等功能。4 2 低功耗射频通信穿透能力由于网关系统与终端之间采用低功耗通信技术，家庭里 墙壁、家具等遮挡物会影响低功耗通信射频传输范围。如果 射频发送功率过小，有可能家庭终端设备不能工作; 而如果太 大，有可能干扰邻居设备。因而设计中需要考虑射频功率的 合理设置。本系统采用 433 MHz 射频通信技术，主要就是看重此频 带射频传送距离远。射频芯片采用 TI 的 CC1101，其工作在433 MHz 频段时，输出功率位于 30 dB 到 10 dB 之间，可以设置 10 个等级。我们分别对这 10 种功率等级进行测试，测试 环境如图 12 所示，房间大小为 7 m 7 m，有木门、铁门和墙壁三种遮挡物，其中木门和铁门之间距离为 1 5m。我们比较四种环境中的射频穿透能力。图 13 给出实际应用环境中测试结果。其中 10 dB 以下 测试情况，均在房间内，未超出距离发射点 7 m 的木门; 而 10 dB及以上的测试结果为穿透了一道木门和一道距离1 5 m的铁 门。 图中可以发现铁门和木门对 5 dB 以 下433 MHz射频影响不大，而当射频功率大于 5 dB 时，铁门和木4 1图 6 家庭网关原型软件实现上，ARM9 运行 Linux 系统，同时监听以太网接 口和串口，来接收服务器数据和底层节点上报的数据。辅助 MCU 则通过中断方式监听串口和无线模块端口，负责对数据 进行解析和转发。若网关监听超时，则初始化监听队列，重新 开始监听。具体执行流程如图 7 所示。图 7 网关执行流程终端系统在原型系统开发中，我们设计通用终端系统，即集红外家 电控制、温湿度检测、220 V 开关控制等功能于一体，目的是 便于终端系统调试。图 8 给出通用终端模块，除了上述功能 模块外，还有 GSM 通信模块、电源控制模块、RS232 串口模块3 2和 CC1101 低功耗通信模块。其中 GSM 模块用于终端系统利门开关对射频穿透影响可以达到 4 m 左右。对于 433 MHz 射频可以发现，在功率为 10 dB 时候，传输距离可以达到 37 m左右; 而当射频功率为 0 dB 时，传输距离也能够达到 15 m 左右。由此可见 433 MHz 射频技术具有很强的穿透能力。因而根据不同家庭部署和面积大小，需要设置合适的输出功率，以 保证网关节点能够与所有终端设备进行通信。图 9红外学习设备硬件原理图间隔下，可以保证通信互不干扰。CC1101 频点公式如下:fXC_E 2fc = 216 ( F0 + C ( 256 + C_M) 2)( 1)其中: fc 为实际使用频率，fx 是模块使用的晶振频 率，为26 MHz，F0 为可配置的 24 位频段寄存器，C、C_M 和 C_E 为可 配置的信道寄存器。图 12测试环境示意图图 10 终端流程图 11 设备实时信息图 13射频穿透能力图邻频干扰在实际部署中，如果对一个小区所有用户都部署家庭网 关设备，此时需要考虑频带资源分配，否则必然引起同频或邻4 3为了避免 邻 频 干 扰，减 少 频 率 偏 移 的 影 响，我 们 设 置500 kHz的信道滤波带宽，使用 1 MHz 的频点间隔，测试时采 用同一起始频率，即使用 0 信道，则式( 1) 就可转化为:频干扰。CC1101 支持 387 465 MHz 频点，在 1 MHz 的信道fc = ( fX /2 ) F016( 2)结语本文利用 433 MHz 射频技术，实现智能家居系统。主要 考虑低功耗无线通信技术射频穿透能力和标准开放性等因 素。文中详细介绍了智能家居结构、网关与设备节点间的通5在式( 2) 中，已知晶振 fx = 26 MHz，设定载频 fc 为 387 465 MHz 间整数频点，即可得到相应的 24 位频段设置值 F0 ， 例如: 当 fc = 433 MHz 时，对应的 F0 设置值为 1091426 ( 十六 进制 0x10A762 ) ，同 理 当 fc = 434 MHz 时，F0 设 置 值 为1093947( 十六进制 0x10B13B) ，以此类推，部分频点设置值如 表 1 所示。表 1 频点设置表信协议设计和具有多功能的通用型智能终端 PCB 板设计。基于实际应用环境，测试了 433 MHz 射频通信穿透能力。并分析了小区应用时的频带分配问题，实现的原型系统验证了 系统设计的可行性。在下一步工作中，我们计划进一步优化 终端设备和通信协议，提高系统的能效性。参考文献:孙利民，李建中 无线传感器网络M 北京: 清华大学出版社，2005童晓渝，房秉毅，张云勇 物联网智能家居发展分析J 移动通 信，2010( 9) : 16 20刘丽娜 物联网引领智能家居新生活J 智能建筑与城市信息，2011( 2) : 21 25KINNEY P ZigBee technology: wireless control that simply worksEB / OL 2012-06-01 http: / / www zig bee orgZensys Inc Z-Wave: the wireless control language R Milpitas， CA， USA: Zensys Inc， 2004张勇，卢志强，王小荣 Z-Wave 无线通信技术在智能家居中的应用J 智能建筑电气技术， 2010( 2) : 57 58Zensys Inc System design specification: Z-Wave protocol overviewR Milpitas， CA， USA: Zensys Inc，2005Zensys Inc Z-Wave as home control RF platform R Milpitas， CA， USA: Zensys Inc， 2005Zensys Inc ZM2102 preliminary datasheet integrated Z-Wave RFmoduleEB / OL Milpitas， CA， USA: Zensys Inc， 2005IEEE Suggestions for the Improvement of the IEEE 802 15 4StandardR / OL ( 2003-07-22) 2012-06-01 http: / / grouper ieee org / groups /802 /15 / pub /2003 / Jul03 /03284r0P802- 15 _ TG4-Suggestions-for-Improvement-of-the-IEEE-802 15 4-Stand ard doc吴晓伟，丁傲西，卢捍华 传感网技术与智能家居产业化J 电信快报 2010( 11) : 34 36ZigBee Alliance ZigBee Specification，Version 1 0 ZigBee Docu- ment 053474r06S ZigBee Alliance， 2004李文仲，段朝玉 ZigBee 无线网络技术入门与实战M 北京:北京航空航天大学出版社，2007CC1101 DataSheet DB / OL 2012-06-01 http: / / www ticom cn / product / cn / cc1101？247SEMArm9 DataSheet DB / OL 2012-06-01 http: / / www arm9net / mini244 0 asp12对所有可用频点进行测试，实际得出在 428 464 MHz 的整数频点上，相邻频点上可以实现互不干扰通信，即可以得到36 个可用频段。为了得到更好的性能，在实际应用中还需要综合考虑穿 透能力、信道带宽和频点设计之间的配合，以避免过大的发射 功率干扰同频段用户，以及过小的信道带宽降低接收灵敏度 等问题。图 14 给出一种射频分配方案: 假定在一栋楼中，楼层间 隔 3 m，房间长宽约 10 m; 根据 4 2 节分析的穿透能力，选择 4 0 dB 的发射功率( 即 10 15 m 可穿透一个墙壁和一个 铁门的传输功率) ; 对于 1 MHz 的邻频间隔，设计 500 kHz 的 信道滤波带宽，以减少频率偏移的影响。345678910图 14 频点分配方案图在图 14 中，数字 1 10 分别代表不同的频点的系统，不同 楼层中相隔 3 层使用重复的频点，如: 5 楼和 1 楼使用相同的频 点，同一楼层中则相隔 2 个房间使用相同的频点。测试时，设 置使用 3 组同一频点系统，部署于图中 1 位置，2 12 位置则部 署相邻频点的系统，每组系统中包括一个家庭网关和若干个设 备节点。观察各个系统的执行情况，结果显示此方案可行，系 统内部通信稳定，系统与系统之间的通信互不干扰，且使用同 频点的不同房间内，数据传输也未出现串扰现象。因此在实际应用中，可参考上述配置进行部署，并根据具 体的房间大小设置合适的发射功率，以达到更好的性能。1112131415( 上接第 67 页)5MAUVE M， FUBLER H， WIDMER J， et al Position-basedMobiCom 00 New York: ACM Press， 2000: 120