【導(dǎo)讀】基于ARM微控制器技術(shù)，提出了智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的有效方法。實(shí)際應(yīng)用中該方法以Web瀏覽器作為操作界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shè)備構(gòu)建了無線數(shù)據(jù)通訊平臺(tái)，其中nRF24L01射頻模塊有32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度。通過對(duì)載荷數(shù)據(jù)幀格式的定義，完成了無線通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)，統(tǒng)一了底層設(shè)備的應(yīng)用程序接口，為智能家居的開發(fā)增加了靈活性。該遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)家居環(huán)境及各布控系統(tǒng)進(jìn)行了有效監(jiān)控，豐富并擴(kuò)展了家居智能化的可操作性。
“智能家居”（smart home)又稱智能住宅，它利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)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(shè)備有機(jī)的結(jié)合起來，優(yōu)化用戶生活方式，方便用戶管理設(shè)備，并能通過場(chǎng)景設(shè)定使多個(gè)設(shè)備間形成聯(lián)動(dòng)。
家庭網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)中，整個(gè)系統(tǒng)分成5 層：
物理媒體層（Media），底層協(xié)議層（Protocol）、應(yīng)用程序接口層（API）、應(yīng)用程序?qū)樱ˋPP）和最終用戶接口層（UI）。其中第一、二層標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布并在實(shí)際中應(yīng)用；第三層（API）是家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，是當(dāng)前業(yè)界研究的熱點(diǎn)；第四層是應(yīng)用程序?qū)樱窃诘谌龑拥幕A(chǔ)上由技術(shù)人員開發(fā)的各種應(yīng)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(yīng)急開關(guān)、求助按鈕以及其它可視接口設(shè)備，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的發(fā)揮和使用至關(guān)重要。本文主要針對(duì)第三、四層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)符合智能家居系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。
1 系統(tǒng)總體方案
1.1 總體設(shè)計(jì)方案
圖1 中ARM 主控制器作為智能家居遠(yuǎn)程Web服務(wù)器，通過以太網(wǎng)芯片ENC28J60接收遠(yuǎn)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(shí)并接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)答數(shù)據(jù)，將應(yīng)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(guān)發(fā)送局部更新Web信息，達(dá)到監(jiān)測(cè)控制家居環(huán)境的效果。
圖1 智能家居遠(yuǎn)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(chǔ)空間，20K字節(jié)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(shè)。適合低成本，低功耗的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。
圖2 中，該芯片通過SPI串口共連3外設(shè)：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(hào)，時(shí)鐘信號(hào)引腳，MISO和MOSI口；PB12-PB15分別作為以太網(wǎng)芯片ENC28J60的片選信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)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(hào)引腳，結(jié)合MCS-51單片機(jī)的微控制應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)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。
圖2 系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)。
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(qiáng)；共有126個(gè)頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要；內(nèi)置硬件CRC 校錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)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(tǒng)，圖3中，一個(gè)作為主控制器數(shù)據(jù)發(fā)送端；其它作為節(jié)點(diǎn)設(shè)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(dòng)對(duì)應(yīng)設(shè)備；完成命令后節(jié)點(diǎn)射頻模塊進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，返回當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)。
圖3 無線通信系統(tǒng)。
2 軟件設(shè)計(jì)
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(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這樣有三大優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能；系統(tǒng)費(fèi)用低；數(shù)據(jù)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(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(shè)計(jì)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(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，主控制器射頻流程如圖4.
（1） 等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的到來，nRF24l01射頻模塊啟動(dòng)發(fā)送模式，在配置信道上通過廣播方式發(fā)送，延時(shí)50ms，保證每個(gè)從控制器都能接收數(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(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)幀，并定時(shí)2秒，超時(shí)或成功接收從控制器設(shè)備應(yīng)答數(shù)據(jù)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(xiàn)互鎖“假死”狀態(tài)。
（3） 如果成功接收從控制器設(shè)備應(yīng)答數(shù)據(jù)，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(jié)點(diǎn)接收該數(shù)據(jù)包，并對(duì)該數(shù)據(jù)包的驅(qū)動(dòng)接口數(shù)據(jù)進(jìn)行解析校對(duì)，比如接收地址匹配，命令碼，操作文件？有匹配節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入驅(qū)動(dòng)應(yīng)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
（1） 從控制器節(jié)點(diǎn)nRF24l01射頻模塊配置成接收模式，直到接收數(shù)據(jù)包。
（2） 對(duì)數(shù)據(jù)包的驅(qū)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(biāo)志，如出現(xiàn)非法操作碼或文件標(biāo)志，則返回步驟（1），有對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)接口則進(jìn)入驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序。
（3） 根據(jù)輸入的應(yīng)用數(shù)據(jù)（記錄控制數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)），操作設(shè)備將設(shè)備狀態(tài)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)幀。完成后，射頻模塊配置進(jìn)入發(fā)送模式，將發(fā)送數(shù)據(jù)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(jié)束，同樣進(jìn)入初始化狀態(tài)。
圖5 從機(jī)節(jié)點(diǎn)射頻流程圖。
3 無線通訊協(xié)議
智能家終端設(shè)備品種繁多，且功能不一，不同設(shè)備要進(jìn)行統(tǒng)一控制，必須對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行抽象處理，提取它們的共同特征。可以把終端設(shè)備抽象成文件，在控制端分配一塊內(nèi)存描述該設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，利用設(shè)備控制方法讀取或修改當(dāng)前狀態(tài)，控制方法可分為三類：文件讀取（Read），文件修改（Write），文件控制（Control）。
Read：讀設(shè)備文件操作，即對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)掃描查詢，程序設(shè)計(jì)API如下：
void drv_lit_read（rxp_cmdreq req）以上為讀設(shè)備API入口，參數(shù)req為結(jié)構(gòu)體指針，寫、控制設(shè)備操作類似。
Write：寫設(shè)備文件操作，即對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)修改，程序設(shè)計(jì)API如下：
void drv_lit_write（rxp_cmdreq req）Control：控制設(shè)備文件操作，即對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)的調(diào)節(jié)。程序設(shè)計(jì)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(shè)備為例。
3.1 通訊協(xié)議
無線射頻模塊nRF24l01對(duì)應(yīng)收發(fā)模式的數(shù)據(jù)有效負(fù)載最大為32個(gè)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)地址，滿足多數(shù)智能家居的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)即對(duì)應(yīng)從控制器編號(hào)。
Fileid：文件標(biāo)志符，1字節(jié)表示，即節(jié)點(diǎn)地址上對(duì)應(yīng)的設(shè)備號(hào)，最大支持0x00-0xFF 256個(gè)文件。
（2）記錄控制數(shù)據(jù)。
Result：操作結(jié)果碼，1字節(jié)表示，當(dāng)有數(shù)據(jù)返回時(shí)，要求填寫該字節(jié)。0x00，操作成功；0x10，非法節(jié)點(diǎn)；0x11，非法文件標(biāo)識(shí)符；0x12，非法初始記錄值；0x13，非法記錄。0xFF，默認(rèn)無效值。
Start：記錄開始值，1字節(jié)表示，當(dāng)有多條記錄操作時(shí)，該值即對(duì)應(yīng)的記錄序。
Len：記錄長(zhǎng)度，1字節(jié)表示，當(dāng)作為輸入數(shù)據(jù)時(shí)，表示記錄操作的長(zhǎng)度，如果Len值大于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的最大記錄長(zhǎng)度，則取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)記錄長(zhǎng)度最大值；當(dāng)作為輸出數(shù)據(jù)時(shí)，表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)操作的記錄長(zhǎng)度。
（3）記錄數(shù)據(jù)Records：記錄數(shù)據(jù)緩沖，緩沖區(qū)達(dá)25個(gè)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(zhǎng)度不一，一般在3-5個(gè)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(zhǎng)度，其中并不包含本身字節(jié)長(zhǎng)度，1個(gè)字節(jié)長(zhǎng)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(guān)，1個(gè)字節(jié)度；Content為設(shè)備文件的記錄值，記錄字節(jié)長(zhǎng)度不定，一般1-2字節(jié)長(zhǎng)。
3.2 協(xié)議擴(kuò)展與特點(diǎn)
地址資源，單字節(jié)的Dest與Src地址分配對(duì)于普通的智能家居用戶完全能滿足要求，對(duì)于家居環(huán)境復(fù)雜，地址分配點(diǎn)較多的用戶，可能會(huì)出現(xiàn)資源不夠的情況，該情況可將Dest與Src地址擴(kuò)展至16位，即2字節(jié)。滿足65535個(gè)節(jié)點(diǎn)要求。
節(jié)點(diǎn)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(kuò)展所需。同理。
記錄選項(xiàng)，Opt為保留字節(jié)，默認(rèn)值為0x00，該字節(jié)主要針對(duì)控制操作，用于記錄控制操作符，如表2說明，主要針對(duì)燈控文件的變亮，變暗操作。
該通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)：
（1）統(tǒng)一外設(shè)，將外部設(shè)備抽象成標(biāo)準(zhǔn)文件，并在控制器內(nèi)存記錄文件內(nèi)容，操作指定設(shè)備只需訪問該設(shè)備映射文件所處內(nèi)存空間數(shù)據(jù)即可，規(guī)范外設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，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(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(jiǎn)化其處理過程。
（3）同樣簡(jiǎn)化了從控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理過程。
4 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)結(jié)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(shí)時(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控家居狀況，并能查詢控制警報(bào)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(dá)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(dāng)前記錄字節(jié)長(zhǎng)度，照明的三種控制方法具體說明如下：
Read：讀當(dāng)前燈的亮度。
輸入：無。
輸出：Opt保留字節(jié)0x00.Value表示當(dāng)前燈的亮度值（0x00-0x09），值越大，亮度越高，下同。
Write：設(shè)置燈的亮度值。
輸入：Opt保留字節(jié)0x00.Value 為要設(shè)置的亮度值。
輸出：Opt保留字節(jié)0x00.Value 表示當(dāng)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(dāng)前燈的亮度值（0x00-0x09）。
燈控設(shè)備支持多條記錄同時(shí)讀取與返回，設(shè)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(shí)有記錄輸出。假設(shè)當(dāng)前操作節(jié)點(diǎn)為0x00，主控節(jié)點(diǎn)為0xFF，Value值為0x03.
以燈控控制命令為例：
控制命令（0x03）：假設(shè)當(dāng)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(jìn)行相互轉(zhuǎn)換時(shí)，發(fā)送主體不同，因此發(fā)送地址與接收地址對(duì)調(diào)。由于是控制命令，Cmdid設(shè)置為0x03，如果是讀命令或?qū)懨睿瑒t該字節(jié)設(shè)置為0x01或0x02.由上已知當(dāng)前操作節(jié)點(diǎn)為0x00，即Fileid的設(shè)置值。Result表示數(shù)據(jù)返回結(jié)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(gè)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(zhǎng)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(jié)論
本系統(tǒng)中，以嵌入式Web服務(wù)器為架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能家居終端設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，并以nRF24L01射頻模塊32字節(jié)的數(shù)據(jù)幀為基礎(chǔ)，最終完成了針對(duì)較低成本智能家居的通訊協(xié)議設(shè)計(jì)。在實(shí)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(dá)到對(duì)終端文件設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈控設(shè)備的開關(guān)，調(diào)亮，調(diào)暗等功能。能在發(fā)出命令后1 秒內(nèi)返回準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息，保證該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，具有較高應(yīng)用價(jià)值。
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