文章編號: 1001 9081( 2012) S2 0068 05利用 433 MHz 射頻通信技術實現智能家居系統*劉杰 ，章韻，陳建新( 南京郵電大學 計算機學院，南京 210003)( * 通信作者電子郵箱 chenjx njupt edu cn)摘 要: 智能家居是當前物聯網主要應用之一，當前采用技術主要有 ZigBee 和 Z-Wave 技術。然而 ZigBee 技術由 于受功耗限制，穿透力較差，極易受家具或墻壁影響; 而 Z-Wave 雖然能夠克服上面問題，但非開放式標準，存在系統 兼容性問題。針對上述問題，提出 433 MHz 無線射頻技術實現智能家居系統的解決方案。詳細介紹了家庭網絡系統 架構、通信協議和高效的頻帶分配算法設計，并給出了可行的解決方法。最終測試結果表明，使用 433 MHz 射頻技術 可以很好地解決傳輸能力和頻帶資源分配問題，進一步推進智能家居的應用。關鍵詞: 433 MHz; 無線射頻; 智能家居; 頻帶分配; 通信協議中圖分類號:文獻標志碼: 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放了這一標準，吸引了更多的廠商和研究機構對 ZigBee 的研究，使得 ZigBee 在智能家居中成為通行的國際標準。然而2 4 GHz的傳輸能力有限，在家庭中需要增加中繼來拓展網 絡; 另外，2 4 GHz 頻段上正變得日益擁擠: 藍牙、Wifi 等技術 都工作在該頻段，這使得在使用時需要注意帶寬分配問題。本文在設計時采用了 433 MHz 這一低頻段來實現無線數 據傳 輸，考 慮 到 433 MHz 室 內 傳 輸 能 力 較 強，且 選 用 的 CC1101 芯片14在此頻段上具備較多的頻點，能夠解決家庭引言隨著計算機通信、自動控制和微電子技術發展，無線傳感 網絡1成為當前研究熱點，其主要應用領域涉及工業控制、 環境監測和智能家居等。其中智能家居應用尤為矚目2，旨 在建立由家庭安全防護系統、網絡服務系統和家庭自動化系 統組成的家庭綜合服務和管理集成系統，實現全面安全防護、 便利通信網絡以及舒適的居住環境3。目前在智能家居領 域開發應用中，2 4 GHz 的 ZigBee4 和 900 MHz 頻段的 Z- Wave5兩大技術應用最為廣泛。Z-Wave 是一種基于射頻的低成本、低功耗、高可靠性的 短距離無線通信技術6。數據傳輸速率達 9 6 Kbps，信號有 效覆蓋范圍室內為 30 m，室外可超過 100 m; 單一家庭網絡最 多可支持 232 個節點，足以滿足一般家庭需求7 9。目前美 國市場上已有成品的 Z-Wave 家居產品銷售，包括各種家電控 制設備，如 Zensys 公司推出的遠程遙控器、插座等。然而 Z- Wave 聯盟并沒有開放其標準，束縛了系統的開發和擴展。基于 IEEE 802 15 4 協議10 的 ZigBee 技術是一種短距 離的通信標準，有著近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數 據速率和低成本的特點11。由 ZigBee 協議標準12 13 可知: 一個 ZigBee 網絡可容納 65 536 臺設備，有著 250 Kbps 的高帶 寬，且節點間通信具備較高的可靠性; 再加上 ZigBee 聯盟開0間信道干擾問題; 同時搭配常用的 51 單片機組成智能節點，降低了節點的成本，也降低了開發難度。本文主要闡述了系統中的硬件模塊實現、家庭內部網絡中的通信協議及通信數 據包設計，最后設計了簡單的網頁，通過訪問數據庫來測試系 統的可行性及穩定性。系統設計11 1 系統架構整個智能家居系統設計涉及到從上層服務器平臺到底層 終端節點，采用自頂向下的設計方法。系統軟件基于 B / S 結 構，服務器平臺通過以太網與家庭控制系統通信，用戶可以通 過 Web 瀏覽器完成對家庭設備的各種操作; 家庭內部則采用433 MHz 頻段的無線通信，完成對家電的控制及環境信息的 采集。整個智能家居體系框架如圖 1 所示。收稿日期: 2012-06-21; 修回日期: 2012-07-29。基金項目: 國家自然科學基金資助項目( 61003236，60973139，61171053) ; 南京郵電大學引進人才項目( NY207021) 。作者簡介: 劉杰( 1988 ) ，男，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向: 計算機在通信網中的應用;章韻( 1963 ) ，男，安徽蕪湖人，教授，博士，主要研究方向: 計算機網絡、物聯網;陳建新( 1973 ) ，男，江蘇南通人，講師，博士，主要研究方向: 無線體域網、物聯網。而對于數據的處理，選擇常用的 STC51 作為 MCU。除此之外，還需要設置電源模塊，以滿足低功耗可靠節點根據需要在 不同環境中部署。為了適應不同的安放環境，某些環境下將 選擇電池供電。例如: 對煙氣濃度監測的模塊，為了方便移動 和安裝，將采取電池供電的方式。圖 1 系統框架圖圖 1 中，服務器平臺實現數據的存儲及顯示，用戶則可以 通過終端設備訪問服務器以獲得家庭節點信息; 而到了用戶 家庭中，一套控制系統包括一個家庭網關和各種終端控制設 備。其中: 家庭網關從以太網接收控制信息，在家庭無線網絡 中將數據廣播出去，設備節點則接收這些信息并執行相應的 動作。終端設備節點則因各自的功能而異，其功能包括監控 門磁開關、采集溫濕度及煙霧濃度、紅外轉發控制家電等。1 2 家庭網關圖 2 中家庭控制系統中利用一個家庭網關來管理網絡設 備。家庭網 關 采 用 ARM9 處理器作為主控制 器，擁 有 的 Internet 接口、E2PROM、Watchdog 及 RTC 模塊則分別用來實現 網絡通信、存儲配置數據、監測系統運行及提供精確的系統時 鐘的功能。同時選用 STC51 單片機作為輔助控制器，負責無線 通信數據格式轉換; 并利用 UART 接口與主控制器傳遞數據。 選用 TI 公司 CC1101 射頻模塊實現 433 MHz 無線數據傳輸。圖 3 終端設備模塊圖2通信協議2 1 幀結構在家庭無線通信中，家庭網關與設備節點間數據包采用 固定的格式設計。數據包可分為 8 個部分，主要包括地址信 息、控制信息、數據信息和校驗信息。圖 4 給出了數據包格式。前三字段分別是: 目的地址、源 地址和家庭編號字段。當模塊配置為硬件地址匹配時，CC1101 將根據數據幀的第一字節進行過濾。這三個屬性確保家庭網 絡設備節點標識的唯一性。這種設置可以同時支持 254 個家 庭用戶，每個家庭用戶最多可擁有 254 個設備地址。第四字段 為幀編號字段，記錄了本次發送數據幀編號，用來實現對發送 幀和回送幀控制。第五個字段為幀類型字段，用于區別幀的類 型。按照功能可分為: 注冊幀、控制幀、信息幀、查詢幀、確認幀 和報警幀。第六個字段為節點類型字段，用來區別該節點的類 型，即該節點所具備的監測功能。第七個字段為長度 8 字節的 數據字段，攜帶數據內容。其中數據長度因節點應用不同而 異，如溫濕度利用 4 字節來傳遞數據; 門磁、開關、紅外碼 ID 只 需要 1 字節來標識。如果某個數據包內包含一種以上監測數 據，則數據內容順序按照節點類型字段進行定義。第八個字段 為校驗字段，對該數據幀前七個字段進行校驗。CC1101 可以 提供硬校驗數據，添至需要發送的數據幀尾部。圖 2 家庭網關模塊圖終端設備基于智能家居設計要求，可以有多種終端設備。圖 3 給 出支持多功能的節點模塊，包括: 溫濕度采集、煙氣濃度監測、 家電控制和門磁安防監測等。在這些終端系統中，需要把采集的數據利用低功耗無線 通信技術發送給網關節點，此處我們利用CC1101 射頻模塊;1 3圖 4 幀結構圖協議流程在家庭網絡中，家庭網關與設備節點的通信遵循著一定 的邏輯，其協議流程如圖 5 所示，包括四個步驟，分別為: 1) 初 始化部分，主要實現設備節點上電注冊流程、服務器平臺與家 庭網關間配置信息的同步流程。2 ) 服務器請求和控制部分， 主要實現服務器請求設備節點信息、發送控制設備信息流程。3) 節點信息處理部分，主要實現節點發送數據報文流程和節 點異常處理流程。4) 環境信息報警部分，主要實現對環境信 息異常、節點及時上報信息及服務器處理流程。1) 為了記錄家庭各終端的信息，家庭網關與服務器中都 維護著同一張設備配置信息表，所以，無論哪一方有配置信息 的變動，都將觸發家庭網關與服務器平臺交換數據，更新配置 信息。2) 在實現中，家庭網關始終打開著一個 socket 監聽端口， 以監聽服務器端的連接，等待接收 DATA / CMD 數據包。當收2 2到 服務器數據后，網關解析該數據包，組織圖4格式的數據包圖 5 通信流程在家庭無線網絡中廣播。設備終端在接收到網關的數據后，執行相應的操作，并回送攜帶應答信息的數據給網關，網關收 到回復后對數據進行解析、記錄并向服務器平臺提交回復。3) 當網關設置的采集時間到，終端根據網關下發的采集 指令上報數據信息。網關將收到的數據包進行記錄和解析， 同時檢查設備是否異常，如有異常，則上報至服務器平臺并發 出報警。4) 家庭設備節點實時監測家庭環境信息，如發現異常則 立即向家庭網關發出報警，隨即家庭網關向服務器平臺發送 報警。網關與終端節點通信采用主從式輪詢方式。通信時設備 間使用固定結構的數據包，并遵循設定的通信協議。在輪詢 過程中，根據數據往返時間和節點數目來確定輪詢周期。用短消息向手機發送告警或狀態信息，電源模塊主要是把220 V 電源轉換為終端應有的 5 V 直流電源。RS232 串口用 于程序的燒錄。CC1101 低功耗通信模塊用于終端系統與家 庭網關直接的通信。圖 9 給出終端中的紅外自學習部分。采用 STC12LE51 單 片機作為處理器，E2PROM 存儲紅外控制碼; 并設計收發電路 分別實現對紅外碼的學習和發送。圖中 USB 部分既供電又提 供 RS232 通信接口來對系統進行調試，實際應用中可去除通信 接口，使用電池供電，以方便移動至更好的位置控制家電。系統實現本章介紹家庭網關和多功能節點的硬件實現及軟件執行 流程。3 1 網關系統家庭網關實現中，主要包括 ARM9 主控模塊，輔助 MCU 模塊，無線傳輸模塊。其中主控 ARM9 采用 mini244015。該 平臺提供以太網接口與服務器進行通信，并可以通過串口與 輔助 MCU 進 行 數 據 交 換。 輔 助 MCU 則采用低電壓的 STCLE51 系列單片機，將從串口接收的 ARM9 數據，進行協議 轉換，控制無線模塊( CC1101) 將數據發送出去。3圖 8 設備終端實體圖圖 10 給出終端系統中軟件工作流程。系統啟動后主要 執行三個任務: 監測無線收發模塊，周期性測量傳感器，并捕 獲傳感器異常中斷。當無線模塊 CC1101 接收到網關發來數 據時，節點執行相應的操作并發送回復; 當節點捕獲到傳感器 發出的異常，則設置相應的報警信息，同時上報網關節點; 對 于一些傳感器，如溫濕度等，節點需要定時對其進行采集，并 判斷異常。4結果與分析實現結果圖 11 給出系統實測結果，利用瀏覽器來控制智能家居中 的終端系統。此處我們通過瀏覽器發送電源開關控制指令給 家庭網關系統，家庭網關把控制指令通過 433 MHz 射頻技術 轉發智能終端系統，終端系統控制電源開關。開關執行后，狀 態信息通過 433 MHz 射頻發送給網關系統，網關系統再利用 IP 網絡通道發送給瀏覽器，在瀏覽器中顯示當前開關狀態。除此之外，還實時給出房間內溫、濕度信息的采集，并可 以通過紅外轉發模塊實現對電視機和空調設備進行的相應控 制，包括電視機音量調整，和空調溫度設定等功能。4 2 低功耗射頻通信穿透能力由于網關系統與終端之間采用低功耗通信技術，家庭里 墻壁、家具等遮擋物會影響低功耗通信射頻傳輸范圍。如果 射頻發送功率過小，有可能家庭終端設備不能工作; 而如果太 大，有可能干擾鄰居設備。因而設計中需要考慮射頻功率的 合理設置。本系統采用 433 MHz 射頻通信技術，主要就是看重此頻 帶射頻傳送距離遠。射頻芯片采用 TI 的 CC1101，其工作在433 MHz 頻段時，輸出功率位于 30 dB 到 10 dB 之間，可以設置 10 個等級。我們分別對這 10 種功率等級進行測試，測試 環境如圖 12 所示，房間大小為 7 m 7 m，有木門、鐵門和墻壁三種遮擋物，其中木門和鐵門之間距離為 1 5m。我們比較四種環境中的射頻穿透能力。圖 13 給出實際應用環境中測試結果。其中 10 dB 以下 測試情況，均在房間內，未超出距離發射點 7 m 的木門; 而 10 dB及以上的測試結果為穿透了一道木門和一道距離1 5 m的鐵 門。 圖中可以發現鐵門和木門對 5 dB 以 下433 MHz射頻影響不大，而當射頻功率大于 5 dB 時，鐵門和木4 1圖 6 家庭網關原型軟件實現上，ARM9 運行 Linux 系統，同時監聽以太網接 口和串口，來接收服務器數據和底層節點上報的數據。輔助 MCU 則通過中斷方式監聽串口和無線模塊端口，負責對數據 進行解析和轉發。若網關監聽超時，則初始化監聽隊列，重新 開始監聽。具體執行流程如圖 7 所示。圖 7 網關執行流程終端系統在原型系統開發中，我們設計通用終端系統，即集紅外家 電控制、溫濕度檢測、220 V 開關控制等功能于一體，目的是 便于終端系統調試。圖 8 給出通用終端模塊，除了上述功能 模塊外，還有 GSM 通信模塊、電源控制模塊、RS232 串口模塊3 2和 CC1101 低功耗通信模塊。其中 GSM 模塊用于終端系統利門開關對射頻穿透影響可以達到 4 m 左右。對于 433 MHz 射頻可以發現，在功率為 10 dB 時候，傳輸距離可以達到 37 m左右; 而當射頻功率為 0 dB 時，傳輸距離也能夠達到 15 m 左右。由此可見 433 MHz 射頻技術具有很強的穿透能力。因而根據不同家庭部署和面積大小，需要設置合適的輸出功率，以 保證網關節點能夠與所有終端設備進行通信。圖 9紅外學習設備硬件原理圖間隔下，可以保證通信互不干擾。CC1101 頻點公式如下:fXC_E 2fc = 216 ( F0 + C ( 256 + C_M) 2)( 1)其中: fc 為實際使用頻率，fx 是模塊使用的晶振頻 率，為26 MHz，F0 為可配置的 24 位頻段寄存器，C、C_M 和 C_E 為可 配置的信道寄存器。圖 12測試環境示意圖圖 10 終端流程圖 11 設備實時信息圖 13射頻穿透能力圖鄰頻干擾在實際部署中，如果對一個小區所有用戶都部署家庭網 關設備，此時需要考慮頻帶資源分配，否則必然引起同頻或鄰4 3為了避免 鄰 頻 干 擾，減 少 頻 率 偏 移 的 影 響，我 們 設 置500 kHz的信道濾波帶寬，使用 1 MHz 的頻點間隔，測試時采 用同一起始頻率，即使用 0 信道，則式( 1) 就可轉化為:頻干擾。CC1101 支持 387 465 MHz 頻點，在 1 MHz 的信道fc = ( fX /2 ) F016( 2)結語本文利用 433 MHz 射頻技術，實現智能家居系統。主要 考慮低功耗無線通信技術射頻穿透能力和標準開放性等因 素。文中詳細介紹了智能家居結構、網關與設備節點間的通5在式( 2) 中，已知晶振 fx = 26 MHz，設定載頻 fc 為 387 465 MHz 間整數頻點，即可得到相應的 24 位頻段設置值 F0 ， 例如: 當 fc = 433 MHz 時，對應的 F0 設置值為 1091426 ( 十六 進制 0x10A762 ) ，同 理 當 fc = 434 MHz 時，F0 設 置 值 為1093947( 十六進制 0x10B13B) ，以此類推，部分頻點設置值如 表 1 所示。表 1 頻點設置表信協議設計和具有多功能的通用型智能終端 PCB 板設計。基于實際應用環境，測試了 433 MHz 射頻通信穿透能力。并分析了小區應用時的頻帶分配問題，實現的原型系統驗證了 系統設計的可行性。在下一步工作中，我們計劃進一步優化 終端設備和通信協議，提高系統的能效性。參考文獻:孫利民，李建中 無線傳感器網絡M 北京: 清華大學出版社，2005童曉渝，房秉毅，張云勇 物聯網智能家居發展分析J 移動通 信，2010( 9) : 16 20劉麗娜 物聯網引領智能家居新生活J 智能建筑與城市信息，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張勇，盧志強，王小榮 Z-Wave 無線通信技術在智能家居中的應用J 智能建筑電氣技術， 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吳曉偉，丁傲西，盧捍華 傳感網技術與智能家居產業化J 電信快報 2010( 11) : 34 36ZigBee Alliance ZigBee Specification，Version 1 0 ZigBee Docu- ment 053474r06S ZigBee Alliance， 2004李文仲，段朝玉 ZigBee 無線網絡技術入門與實戰M 北京:北京航空航天大學出版社，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對所有可用頻點進行測試，實際得出在 428 464 MHz 的整數頻點上，相鄰頻點上可以實現互不干擾通信，即可以得到36 個可用頻段。為了得到更好的性能，在實際應用中還需要綜合考慮穿 透能力、信道帶寬和頻點設計之間的配合，以避免過大的發射 功率干擾同頻段用戶，以及過小的信道帶寬降低接收靈敏度 等問題。圖 14 給出一種射頻分配方案: 假定在一棟樓中，樓層間 隔 3 m，房間長寬約 10 m; 根據 4 2 節分析的穿透能力，選擇 4 0 dB 的發射功率( 即 10 15 m 可穿透一個墻壁和一個 鐵門的傳輸功率) ; 對于 1 MHz 的鄰頻間隔，設計 500 kHz 的 信道濾波帶寬，以減少頻率偏移的影響。345678910圖 14 頻點分配方案圖在圖 14 中，數字 1 10 分別代表不同的頻點的系統，不同 樓層中相隔 3 層使用重復的頻點，如: 5 樓和 1 樓使用相同的頻 點，同一樓層中則相隔 2 個房間使用相同的頻點。測試時，設 置使用 3 組同一頻點系統，部署于圖中 1 位置，2 12 位置則部 署相鄰頻點的系統，每組系統中包括一個家庭網關和若干個設 備節點。觀察各個系統的執行情況，結果顯示此方案可行，系 統內部通信穩定，系統與系統之間的通信互不干擾，且使用同 頻點的不同房間內，數據傳輸也未出現串擾現象。因此在實際應用中，可參考上述配置進行部署，并根據具 體的房間大小設置合適的發射功率，以達到更好的性能。1112131415( 上接第 67 頁)5MAUVE M， FUBLER H， WIDMER J， et al Position-basedMobiCom 00 New York: ACM Press， 2000: 120