理論與實踐： 智能家居433 MHz射頻通信協(xié)議棧設(shè)計與網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)
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作者：鄭曉敏
1 引言
無線通信技術(shù)是智能家居研究的熱點，當(dāng)今智能家居主流通信技術(shù)有Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙、433 MHz射頻通信等。針對家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)低成本、近距離、低復(fù)雜度等需求，無線通信技術(shù)各有優(yōu)缺點：基于Wi-Fi技術(shù)的智能家居產(chǎn)品多用于數(shù)據(jù)量較大、傳輸速率較快的消費電子產(chǎn)品中，其功耗大，成本高；ZigBee偏向于工業(yè)應(yīng)用，有功耗低、數(shù)據(jù)量小、網(wǎng)絡(luò)容量大的特點，適合智能家居這樣的碎片化信息傳遞；藍(lán)牙成本與功耗介于Wi-Fi與ZigBee之間，適應(yīng)于短距離的點對點通信，不適合組建龐大的家庭網(wǎng)絡(luò)。常用的無線通信技術(shù)（如Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙）工作在2.4 GHz頻段，日益擁擠的2.4 GHz頻段信道之間干擾較大。433 MHz射頻通信技術(shù)是一種簡單而成熟的無線通信技術(shù)，其傳輸距離遠(yuǎn)、穿墻性強、功耗低、成本低，適用于數(shù)據(jù)量不是很大、成本敏感的家庭網(wǎng)絡(luò)。其不足之處在于缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議規(guī)范。
智能家居體系的核心是智能網(wǎng)關(guān)，它不僅用于實現(xiàn)各類不同終端設(shè)備的集中控制，還起到協(xié)議轉(zhuǎn)換作用。本系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)基于uC/os-n與STM32F407，設(shè)計了一套以CC1101通信與組網(wǎng)為目的的433 MHz射頻協(xié)議棧，智能網(wǎng)關(guān)搭載433 MHz射頻模塊、GSM模塊、Wi-Fi模塊、以太網(wǎng)模塊等，實現(xiàn)了不同方式的集中控制。如圖1所示，用戶可以用手機或者電腦，通過Wi-Fi、有線等方式登錄智能網(wǎng)關(guān)嵌入式Web服務(wù)器，或通過手機GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信給智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)解析命令后進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)與家電控制終端進(jìn)行信息交互，達(dá)到對家電智能控制的目的。
2智能家居系統(tǒng)硬件框架
系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)如圖2所示，智能網(wǎng)關(guān)選用STM32F407ZET6，該芯片SRAM高達(dá)192 KB．工作主頻為168 MHz，具有豐富的外部資源，可以滿足設(shè)計需求。Wi-Fi模塊選用的是基于串口AT命令的HLK-RM04，GSM模塊選用SIM900A，可實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。以太網(wǎng)模塊選用PHY層芯LAN8720A．通過RMII與STM32F407的以太網(wǎng)MAC層通信。家電端控制節(jié)點選擇的MCU為STM8S105K4，該8位單片機默認(rèn)主頻2 MHz，滿足終端設(shè)備數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)控制等需求。
433 MHz射頻模塊選用的是CC1101．CC1101是一種低功耗、低成本、傳輸可靠的無線收發(fā)器，工作頻段比較靈活，可以設(shè)定在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM和SRD頻段，空中傳輸速率可達(dá)500 kBaud。CC1101是半雙工工作方式，只能通過在協(xié)議棧軟件上進(jìn)行時分操作，實現(xiàn)CC1101時分雙工，以更大程度地發(fā)揮CC1101芯片的性能。
3 網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)與433 MHz射頻協(xié)議棧設(shè)計
3.1 智能網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)
軟件是一個系統(tǒng)的靈魂。如圖3所示，網(wǎng)關(guān)的開發(fā)采用分層設(shè)計的思想，智能網(wǎng)關(guān)按其功能，可劃分為上層應(yīng)用軟件層、操作系統(tǒng)接口層、底層驅(qū)動層。
為了提高智能網(wǎng)關(guān)的實時性、可擴展性，選用的RTOS為uC/OS-II，同時移植了小型開源的TCPf/P協(xié)議棧LWIP，并基于B/S結(jié)構(gòu)在智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)部搭建嵌入式Web服務(wù)器。FatFs用于在小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)，它不依賴任何硬件平臺，方便智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與文件操作。
應(yīng)用層中433 MHz射頻協(xié)議棧是核心部分，它用來實現(xiàn)家庭內(nèi)部433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)的組建與通信。上層應(yīng)用層中的嵌入式Web服務(wù)器、Wi-Fi、GSM等應(yīng)用進(jìn)程提供了用戶與智能網(wǎng)關(guān)不同的交互方式，底層就是與硬件交互的驅(qū)動層，如CC1101底層的數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)，以太網(wǎng)卡通信驅(qū)動等。底層驅(qū)動程序設(shè)計應(yīng)該做到精簡、高效，因為底層驅(qū)動的執(zhí)行效率直接關(guān)乎系統(tǒng)的實時性，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的性能。
3.2 433 MHz射頻協(xié)議棧設(shè)計
433 MHz射頻協(xié)議棧總體架構(gòu)如圖4所示，總體上協(xié)議棧分為用戶空間與內(nèi)核空間。
用戶空間是具體的應(yīng)用進(jìn)程，如嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)程、Wi-Fi應(yīng)用進(jìn)程、串口應(yīng)用進(jìn)程等，由于空間所限沒有標(biāo)明GSM進(jìn)程。這4個進(jìn)程處于用戶空間，進(jìn)程優(yōu)先級相對內(nèi)核空間進(jìn)程較低，各應(yīng)用進(jìn)程接收來自如Wi-Fi、網(wǎng)頁瀏覽器．串口等消息，進(jìn)行解析后封裝成內(nèi)核能識別的rf_message消息結(jié)構(gòu)體，通過API函數(shù)與內(nèi)核通信。重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如應(yīng)用進(jìn)程RF_PCB鏈表、終端控制節(jié)點PCB鏈表等，只有內(nèi)核空間才能訪問與修改，用戶空間無法觸及，應(yīng)用進(jìn)程只能通過API函數(shù)進(jìn)入內(nèi)核，在內(nèi)核中安全訪問，減少用戶空間惡意修改內(nèi)核核心代碼造成的損失。這樣既保證了協(xié)議棧與數(shù)據(jù)通信的安全性，又簡化了應(yīng)用進(jìn)程的設(shè)計難度，應(yīng)用進(jìn)程只需要調(diào)用內(nèi)核API函數(shù)即可完成相應(yīng)的功能。
在用戶空間中，應(yīng)用進(jìn)程的創(chuàng)建會分配進(jìn)程控制塊，含有進(jìn)程的相關(guān)信息，各個進(jìn)程控制塊組成RF_PCB鏈表module_pcb_list，記錄活動的應(yīng)用進(jìn)程。進(jìn)程控制塊記錄應(yīng)用進(jìn)程運行狀態(tài)、收發(fā)的數(shù)據(jù)隊列、數(shù)據(jù)幀時間戳等，是各個應(yīng)用進(jìn)程的高度抽象。
內(nèi)核空間重要的是RF核心進(jìn)程rf_core_thread()，它控制網(wǎng)絡(luò)層中數(shù)據(jù)幀的路由，鏈路層中數(shù)據(jù)分組的發(fā)送接收等功能，向上與應(yīng)用層的進(jìn)程完成用戶空間與內(nèi)核空間的信息交換，向下與底層的發(fā)送、接收、輪詢等進(jìn)程交互，完成物理層的功能。消息隊列rf_core_mbox是核心進(jìn)程rf_core_thread()與其他進(jìn)程通信的核心，也是API函數(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，RF核心進(jìn)程rf_core_thread()在消息隊列rf_core_mbox上等待消息到達(dá)，該消息結(jié)構(gòu)體中封裝了協(xié)議幀、控制信息、API函數(shù)等，核心進(jìn)程利用其中的API函數(shù)對消息幀進(jìn)行解析。
核心進(jìn)程與底層收發(fā)、輪詢進(jìn)程的交互過程類似。RF數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程rf_send_thread()通過消息隊列rf_send_mbox接收核心進(jìn)程的消息，處理過后通過CCllOISendPacket()函數(shù)進(jìn)行物理層數(shù)據(jù)發(fā)送。CC1101的數(shù)據(jù)接收是通過中斷方式，CCllOIRecPacket()接收數(shù)據(jù)分組，接收進(jìn)程rf_recv_thread()經(jīng)過處理后上傳給核心進(jìn)程rf_core_thread()。RF輪詢進(jìn)程每隔一定的時間就會給控制節(jié)點發(fā)送輪詢數(shù)據(jù)幀，控制節(jié)點接收到后應(yīng)答，智能網(wǎng)關(guān)通過此方式對節(jié)點的存活進(jìn)行確認(rèn)。
4 433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)整體模型
4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c組網(wǎng)過程
基于家庭內(nèi)部通信與組網(wǎng)的特點，本系統(tǒng)選擇樹型網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。節(jié)點分為3類：智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點、中繼節(jié)點和控制節(jié)點。智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，每個控制節(jié)點（如燈光控制節(jié)點、空調(diào)控制節(jié)點等）在上電之后會進(jìn)行入網(wǎng)操作，向智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送人網(wǎng)請求，智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)請求組建樹型網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議棧構(gòu)建與維護(hù)控制節(jié)點鏈表。
智能網(wǎng)關(guān)與節(jié)點采用雙向通信的方法進(jìn)行通信�？蛷d內(nèi)的節(jié)點與智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點距離較近，采用直接通信的方法進(jìn)行通信。處于其他房間的控制節(jié)點，由于傳輸距離較遠(yuǎn)，加之中間有墻壁阻擋，需要中繼節(jié)點參與傳輸，這就需要一定的路由機制，鑒于低復(fù)雜度的目的，這里的路由路線是固定的。智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點與臥室或者廚房內(nèi)的控制節(jié)點通信時，智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)分組給目的房間內(nèi)的中繼節(jié)點，中繼節(jié)點接收到數(shù)據(jù)分組進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)發(fā)給目的控制節(jié)點，完成一次單向通信。
433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)組建如下：當(dāng)智能網(wǎng)關(guān)上電或者重啟之后，網(wǎng)絡(luò)重新組建，智能網(wǎng)關(guān)監(jiān)聽入網(wǎng)幀。控制節(jié)點或者中繼節(jié)點上電后發(fā)送人網(wǎng)幀，入網(wǎng)幀包括該節(jié)點的ID與位置信息，節(jié)點發(fā)送人網(wǎng)幀之后等待智能網(wǎng)關(guān)的入網(wǎng)答復(fù)幀。智能網(wǎng)關(guān)收到入網(wǎng)幀之后，進(jìn)行入網(wǎng)節(jié)點信息分析，確定節(jié)點在樹型網(wǎng)絡(luò)中的位置，注冊終端控制節(jié)點結(jié)構(gòu)體，之后給入網(wǎng)節(jié)點發(fā)送人網(wǎng)答復(fù)幀，控制節(jié)點接收到入網(wǎng)答復(fù)幀之后，分析確認(rèn)自己所處的樹型網(wǎng)絡(luò)位置，之后進(jìn)入正常處理流程，否則會休眠一段時間之后繼續(xù)發(fā)送入網(wǎng)幀。
智能網(wǎng)關(guān)感應(yīng)樹型網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化，實時更新樹型網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點信息，智能網(wǎng)關(guān)每隔一定的時間會發(fā)送輪詢數(shù)據(jù)幀，并等待節(jié)點的應(yīng)答，若在一定時間內(nèi)，控制節(jié)點沒有應(yīng)答，則說明該節(jié)點出現(xiàn)問題或者位置信息發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)信號無法覆蓋，智能網(wǎng)關(guān)刪除在活動鏈表中無應(yīng)答的節(jié)點信息，更新樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
4.2 433 MHz射頻節(jié)點模型與通信幀定義
本系統(tǒng)對CC1101節(jié)點之間的通信幀進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，如圖6所示，節(jié)點模型由物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成，每一層為上一層提供服務(wù)，并使用下一層提供的服務(wù)完成相應(yīng)的功能。
物理層與鏈路層由CC1101芯片提供，完成節(jié)點之間基本的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收功能，物理層數(shù)據(jù)幀發(fā)送時，自動生成前導(dǎo)碼與同步詞匯，實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)幀同步。數(shù)據(jù)幀在鏈路層中，收發(fā)地址手動添加，接收地址可能是最終要到達(dá)的目的地址，也可能是中繼地址。當(dāng)設(shè)定CC1101寄存器PKTCTRLl.append_status值為1時（默認(rèn)為1），CC1101芯片在數(shù)據(jù)發(fā)送時會默認(rèn)追加RSSI與LQI狀態(tài)值，RSSI是信號強度指示值，從該值可以獲取當(dāng)前信道的信號強度與干擾，LQI是當(dāng)前接收信號的質(zhì)量指示。CC1101芯片會自動添加CRC字段，確保除前導(dǎo)碼、同步詞匯、RSSI．LQI之外的數(shù)據(jù)的正確性與完整性。
網(wǎng)絡(luò)層完成樹型網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點與智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信，配合鏈路層完成路由功能，網(wǎng)絡(luò)層中數(shù)據(jù)幀中源地址是數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源節(jié)點，目的地址是數(shù)據(jù)最終要到達(dá)的節(jié)點。應(yīng)用層定義了通信幀的具體功能，參數(shù)定義了節(jié)點的具體動作（如調(diào)節(jié)空調(diào)溫度、燈光亮度等），端口號識別用戶空間不同的應(yīng)用進(jìn)程，實現(xiàn)了節(jié)點之間的服務(wù)與資源共享。
5通信過程實現(xiàn)
本系統(tǒng)選擇射頻通信工作在433 MHz，該頻段不用申請即可以免費使用。CC1101工作在433 MHz頻段時，頻率波段為400～464 MHz，信道頻間（信道帶寬）為200 kHz，可用信道達(dá)300個。由于樹型網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都工作在同一信道，并且CC1101芯片是半雙工，所以同一信道的通信碰撞是無法避免的，這就需要一定的機制實現(xiàn)沖突退避與數(shù)據(jù)重發(fā)。沖突檢測采用CC1101硬件實現(xiàn)，退避與重發(fā)在沖突檢測基礎(chǔ)上，通過協(xié)議棧軟件實現(xiàn)。
5.1 沖突退避的實現(xiàn)
CC1101數(shù)字引腳GD02用于載波監(jiān)聽時，當(dāng)所在信道中RSSI值高于設(shè)定的閾值時，GD02引腳輸出高電平，也就意味著當(dāng)前信道正在使用。通過GD02引腳電平判斷信道狀態(tài)，通過協(xié)議棧進(jìn)而實現(xiàn)沖突退避。
沖突退避實現(xiàn)方式如下。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)沖突時，則進(jìn)行一定的時延機制后再次檢測，信道空閑則進(jìn)行發(fā)送。在協(xié)議棧中，根據(jù)節(jié)點的地址設(shè)置重發(fā)間隔，由于各節(jié)點的地址不同，數(shù)據(jù)重發(fā)的時刻也不同，則兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致沖突時，重發(fā)時刻也不同，重發(fā)數(shù)據(jù)能夠成功。同時，設(shè)定重發(fā)最小時間間隔大于最大數(shù)據(jù)分組的傳輸時間，保證重發(fā)數(shù)據(jù)分組與其他節(jié)點無重合時間。根據(jù)433 MHz射頻通信幀的定義，數(shù)據(jù)分組長度為22 byte，即176 bit，空中傳輸速率為200 kbit/s時，空中傳輸時間為880uS，加上CC1101狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換，由接收態(tài)RX轉(zhuǎn)換為發(fā)射態(tài)TX（CC1101中斷接收需要使芯片處于RX狀態(tài)），所需時間約為600uS，則發(fā)送一次數(shù)據(jù)總的時間開銷約1.5 ms，即重發(fā)最小時間間隔為1.5 ms。如果某一節(jié)點的重發(fā)時間為Tms，該節(jié)點地址為addr，則該節(jié)點重發(fā)時間間隔為T=addrx1.5。
5.2數(shù)據(jù)重發(fā)機制
數(shù)據(jù)重發(fā)是在沖突檢測與退避的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。如圖7所示,433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信要求可靠性，這就需要節(jié)點消息應(yīng)答，如果智能網(wǎng)關(guān)控制信息發(fā)送后，在規(guī)定的時間中沒有收到節(jié)點的應(yīng)答，則消息要進(jìn)行重發(fā)。
協(xié)議棧的數(shù)據(jù)發(fā)送rf_send_thread()進(jìn)程中，在實際發(fā)送前，首先進(jìn)行沖突檢測，若信道沖突，則進(jìn)行沖突退避機制，信道空閑使用CCllOISendPacket()函數(shù)進(jìn)行物理層的消息發(fā)送。發(fā)送完成后，該進(jìn)程通過response_mg_sem信號量等待節(jié)點應(yīng)答，協(xié)議棧在接收到應(yīng)答消息后，在中斷處理函數(shù)中增加信號量．rf_send_thread0進(jìn)程完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送過程，若該進(jìn)程在100 ms內(nèi)沒有接收到應(yīng)答消息則再次發(fā)送，在規(guī)定的次數(shù)中沒有接收到應(yīng)答，則通告應(yīng)用進(jìn)程消息發(fā)送失敗，節(jié)點無應(yīng)答。
5.3 433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)工作流程
整個433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)要遵循一定的通信邏輯，如圖8所示（為描述方便，省略中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)），主要分為以下4個部分。
·初始化與網(wǎng)絡(luò)組建：智能網(wǎng)關(guān)與智能節(jié)點上電后進(jìn)行初始化工作，智能網(wǎng)關(guān)監(jiān)聽入網(wǎng)幀，控制節(jié)點入網(wǎng)注冊，入網(wǎng)后控制節(jié)點進(jìn)入正常工作流程。
·主動控制：手機或者電腦端發(fā)送控制命令，智能網(wǎng)關(guān)接收后進(jìn)行解析，通過433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至相應(yīng)的控制節(jié)點，控制節(jié)點執(zhí)行后反饋。
·控制節(jié)點狀態(tài)上報：控制節(jié)點狀態(tài)改變或者有信息需要主動上報時，智能網(wǎng)關(guān)接收上報信息，進(jìn)行分析與處理，并反饋給用戶空間進(jìn)程。
·智能網(wǎng)關(guān)輪詢與節(jié)點刪除：智能網(wǎng)關(guān)中輪詢進(jìn)程rf_poll_thread()每隔一定的時間就會發(fā)送輪詢信息至各個控制節(jié)點，控制節(jié)點應(yīng)答，智能網(wǎng)關(guān)接收到應(yīng)答后證明該控制節(jié)點工作正常，如果沒有接收到應(yīng)答，則說明該節(jié)點出現(xiàn)故障或者主動離開，智能網(wǎng)關(guān)更新樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
6 實驗結(jié)果
測試表明，射頻芯片CC1101輸出功率設(shè)置為0dB時，電流消耗為15.9mA，傳輸距離為15m，具有良好的穿透能力。圖9為測試結(jié)果，當(dāng)通過瀏覽器發(fā)送客廳燈光亮度1指令給智能網(wǎng)關(guān)后，智能網(wǎng)關(guān)通過433MHz射頻網(wǎng)絡(luò)將消息發(fā)送至智能調(diào)光系統(tǒng)，家電控制終端的狀態(tài)通過433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)反饋給智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)通過SSI技術(shù)在瀏覽器中顯示狀態(tài)。
7結(jié)束語
本文設(shè)計了一種適合家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使用的433 MHz射頻通信協(xié)議棧，并詳細(xì)討論了協(xié)議棧的工作原理。在下一步工作中，會繼續(xù)增加家電控制終端，完善協(xié)議棧的設(shè)計，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
8摘要：
針對智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)低成本、短距離、低數(shù)據(jù)速率的通信與組網(wǎng)需求，設(shè)計了一種基于CC1101的433 MHz射頻通信協(xié)議棧，并實現(xiàn)了以嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II與微控制器STM32F407為基礎(chǔ)的智能網(wǎng)關(guān)。該智能網(wǎng)關(guān)搭載Wi-Fi、CSM、網(wǎng)卡等功能模塊，與433 MHz射頻通信協(xié)議棧協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)了多種智能控制方式，詳細(xì)介紹了433 MHz射頻協(xié)議棧設(shè)汁、通信協(xié)議與節(jié)點模型的定義、433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)組建、數(shù)據(jù)沖突退避與重發(fā)機制。該方案具有簡單實用的特點，適合家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使用。
