王玉麗

摘要：目前智能家居控制系統(tǒng)中的家電設(shè)備大多采用紅外信號(hào)控制，設(shè)備相互之間不能通信，這阻礙了設(shè)備的無(wú)線(xiàn)化集中控制。針對(duì)這種情況，提出一種基于Zigbee RF4CE的智能家居控制系統(tǒng)，具有低功耗、遠(yuǎn)視距、允許設(shè)備間雙向交互等優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)由RF4CE網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)、控制終端三部分組成。RF4CE網(wǎng)絡(luò)基于MC13233硬件結(jié)合RF4CE協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備的無(wú)線(xiàn)集中控制，實(shí)現(xiàn)家電和用戶(hù)的雙向交互。

關(guān)鍵詞：Zigbee RF4CE；MC13233

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）24-0233-03

Abstract：Home appliances in smart home system mostly adopts the infrared signal control， cant communication between each other， and is not conducive to wireless centralized control ，so this paper puts forward a kind of control scheme based on Zigbee RF4CE，with low power consumption，far sight and bidirectional interaction.The system is composed of RF4CE network， home gateway and control terminal. The RF4CE network based on MC13233 hardware platform takes advantage of RF4CE protocol stack， realizes the home appliance wireless networking capabilities. Its been proven that it not only realized the home appliance equipment wireless centralized control， but also realized the bidirectional interaction between the home appliances and the user.

Key words：Zigbee；RF4CE；MC13233

家居設(shè)備的無(wú)線(xiàn)集中控制是當(dāng)下智能家居發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，家居設(shè)備的控制多以紅外遙控為主，但是各種家電的紅外遙控編碼格式各不相同，互不兼容，用戶(hù)在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生混亂。另外，紅外遙控具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、靠短距離、小角度傳輸保證安全、設(shè)備之間不能通信等缺點(diǎn)，也不利于設(shè)備的無(wú)線(xiàn)化集中控制[1]。為解決這些問(wèn)題，ZigBee聯(lián)盟和RF4CE（Radio Frequency for Consumer Electronics）聯(lián)盟聯(lián)合制定了新一代家居遙控標(biāo)準(zhǔn)Zigbee RF4CE。RF4CE基于IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)展而來(lái)，旨在為消費(fèi)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程控制建立一個(gè)簡(jiǎn)單、強(qiáng)大、低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)[2]。本文目的即在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種基于Zigbee RF4CE遙控協(xié)議的智能家居控制系統(tǒng)。

1 智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為以下幾層：

1）第一層為控制終端（包括：Internet及移動(dòng)終端、計(jì)算機(jī)終端等）。控制終端可通過(guò)有線(xiàn)寬帶/GPRS/3G/4G等技術(shù)接入Internet。同時(shí)整個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)做為一個(gè)局域網(wǎng)連接到Internet。終端用戶(hù)可通過(guò)web網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)置web服務(wù)器，獲取存儲(chǔ)在家庭網(wǎng)關(guān)單元中的家用設(shè)備數(shù)據(jù)。同時(shí)可以通過(guò)web頁(yè)面或以短信形式對(duì)家中的任意聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。

2）第二層為家庭網(wǎng)關(guān)單元，是家庭內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)交互的接口，需要支持多種通信方式，使得用戶(hù)可以通過(guò)有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)短信的方式連接家庭網(wǎng)絡(luò)，是智能家居系統(tǒng)的核心。

3）第三層為家庭終端控制網(wǎng)絡(luò)，即家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，控制各種家庭終端如電燈、電視、空調(diào)、智能插座及采集家庭環(huán)境的各類(lèi)傳感器等，負(fù)責(zé)將分散的終端與家庭網(wǎng)關(guān)單元連接起來(lái)。一般采用無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（WPAN）模型。該層涉及多種通信方式如紅外、藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等。本方案家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用基于Zigbee RF4CE協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

2 Zigbee RF4CE家庭終端控制網(wǎng)絡(luò)模型

在ZigBee RF4CE標(biāo)準(zhǔn)中，2個(gè)及以上設(shè)備以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成一個(gè)RC（Remote Control）個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）。然后多個(gè)RC PAN就可以形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，允許PAN之間以及PAN內(nèi)部進(jìn)行通信。

在RF4CE協(xié)議中包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（Target Node）和控制節(jié)點(diǎn)（Controller Node）兩種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)、加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)退出、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等?？刂乒?jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備，發(fā)送或傳遞控制消息并對(duì)控制消息做出響應(yīng)[3]。圖1為基于ZigBee RF4CE的家庭終端控制網(wǎng)絡(luò)模型[4]，圖中包含了3個(gè)PAN網(wǎng)絡(luò)，分別是TV所在的PAN1、CD所在的PAN2和DVD所在的PAN3，其中，多功能RC作為特殊控制節(jié)點(diǎn)可根據(jù)信道質(zhì)量加入合適的網(wǎng)絡(luò)。

家庭設(shè)備具有種類(lèi)繁多，位置分散等特點(diǎn)，因此為降低組網(wǎng)復(fù)雜性，可根據(jù)家電類(lèi)型和安裝位置，將家庭內(nèi)網(wǎng)劃分為多個(gè)PAN網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)PAN網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)負(fù)責(zé)與家庭網(wǎng)關(guān)通信的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)有新設(shè)備入網(wǎng)時(shí)，需要預(yù)先對(duì)設(shè)備中的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，以使其能夠加入到合適的網(wǎng)絡(luò)中。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)分析

智能家居控制系統(tǒng)的核心是家庭網(wǎng)關(guān)控制單元和家庭終端控制網(wǎng)絡(luò)Zigbee RF4CE網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)單元，作為內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)交互的接口，應(yīng)支持多種用戶(hù)交互模式。RF4CE網(wǎng)絡(luò)則利用安裝在電器上的RF4CE無(wú)線(xiàn)模塊，將家電設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)收集電器的信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)內(nèi)置web服務(wù)器并響應(yīng)web服務(wù)器下發(fā)的用戶(hù)操作命令。

3.2 家庭網(wǎng)關(guān)控制單元設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)至少支持以太網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備操作三種用戶(hù)交互模式。

綜合各方面因素，選用Freescale公司內(nèi)含快速以太網(wǎng)模塊的32位微控制器MCF52233，作為網(wǎng)關(guān)控制器的核心。MCF52233內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的收發(fā)功能，同時(shí)為了方便網(wǎng)絡(luò)操作，在控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議。

為了方便移動(dòng)終端的控制，選用華為的低功耗GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)模塊EM310模塊實(shí)現(xiàn)了GPRS通信。EM310模塊支持最高下行速率85.6Kbps，最高上行速率42.8Kbps，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)支持基于TCP/IP協(xié)議和短信協(xié)議通信。本文采用人們比較熟悉的通過(guò)短信收發(fā)的方式控制家庭設(shè)備。啟用短信收發(fā)需要首先對(duì)EM310進(jìn)行配置，EM310模塊通過(guò)UART與MC52233相連，使用AT命令進(jìn)行配置，配置工作包括通用參數(shù)配置和消息參數(shù)配置等。

網(wǎng)關(guān)軟件部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及各個(gè)功能模塊初始化、串口/網(wǎng)絡(luò)口接收中斷/定時(shí)器溢出中斷及各種操作命令的轉(zhuǎn)發(fā)與解析。為方便操作，將各種通信數(shù)據(jù)和操作命令封裝成變長(zhǎng)幀，幀結(jié)構(gòu)包括：幀頭、幀序號(hào)、節(jié)點(diǎn)源與目的地址、主從二級(jí)控制命令字、N字節(jié)數(shù)據(jù)、校驗(yàn)與幀尾。

3.3 RF4CE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

Freescale公司的MC13233是支持ZigBee RF4CE的片上系統(tǒng)解決方案，本系統(tǒng)所有的控制節(jié)點(diǎn)均基于此。MC13233內(nèi)含8位HCS08內(nèi)核CPU，資源豐富，內(nèi)部集成了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的工作在2.4GHz頻段的物理層收發(fā)器，配備專(zhuān)為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用提供服務(wù)的硬件加速器等。

Freescale開(kāi)發(fā)的ZigBee RF4CE協(xié)議棧又名BeeStack Consumer協(xié)議棧。為方便開(kāi)發(fā)者配置，F(xiàn)reescale在BeeStack Consumer協(xié)議之上創(chuàng)建了一個(gè)嵌入式應(yīng)用程序BeeStack Consumer BlackBox。BlackBox支持通過(guò)UART或者IIC接口訪問(wèn)RF4CE網(wǎng)絡(luò)的所有特性，大大降低了開(kāi)發(fā)難度[5]。但若要將MC13233作為RF4CE節(jié)點(diǎn)使用，還需要進(jìn)行一系列配置，包括：設(shè)置MAC地址（執(zhí)行ZTC-WriteExtAddr.Request命令）、復(fù)位網(wǎng)絡(luò)層并清空配對(duì)表中所有配對(duì)數(shù)據(jù)（執(zhí)行RF4CE_NWK_Reset.Request命令）、節(jié)點(diǎn)類(lèi)型（目標(biāo)/控制）及其他參數(shù)配置（執(zhí)行RF4CE_NWK_SetNodeCapabilities.Request命令）、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)層和該配置節(jié)點(diǎn)（執(zhí)行RF4CE_NLME_Start.Request命令）、啟動(dòng)配對(duì)進(jìn)程（執(zhí)行ZRCProfile_PushButtonPairOrig.Request命令）、保存和檢索配對(duì)信息、配對(duì)成功發(fā)送命令給其他設(shè)備等。

啟動(dòng)配對(duì)進(jìn)程后，一旦控制器設(shè)備啟動(dòng)，控制器設(shè)備即開(kāi)始與其他設(shè)備配對(duì)。配對(duì)進(jìn)程將根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能和支持的配置文件來(lái)評(píng)估是否可以與目標(biāo)設(shè)備成對(duì)。同時(shí)系統(tǒng)將保存和檢索配對(duì)信息。雖然RF4CE節(jié)點(diǎn)已經(jīng)保存了一些重要數(shù)據(jù)如配對(duì)表中的網(wǎng)絡(luò)地址，但這是與這些節(jié)點(diǎn)建立通信所需的最低要求。應(yīng)用程序還可以根據(jù)需要保存其他數(shù)據(jù)，如設(shè)備類(lèi)型或用戶(hù)字符串等。一旦配對(duì)，可能會(huì)發(fā)送命令給目標(biāo)設(shè)備，如果成功，則說(shuō)明連接已經(jīng)被正確設(shè)置，應(yīng)用程序按預(yù)期的方式工作。如果有任何錯(cuò)誤，則需要檢查設(shè)備配對(duì)表和索引其他的參數(shù)是否正確。針對(duì)每一個(gè)命令請(qǐng)求，從機(jī)都將生成一個(gè)響應(yīng)。響應(yīng)包含了操作狀態(tài)或重要數(shù)據(jù)例如配對(duì)設(shè)備信息等。如何處理響應(yīng)取決于應(yīng)用程序。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)紅外家電控制不利于家電設(shè)備無(wú)線(xiàn)化集中控制的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有家居控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合Zigbee RF4CE無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee RF4CE的無(wú)線(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)，并給出了其主控模塊家庭網(wǎng)關(guān)控制單元和RF4CE組網(wǎng)控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)控制單元選用Freescale單芯片嵌入式以太網(wǎng)解決方案MCF52233作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式Web服務(wù)器功能，并搭配華為GPRS模塊EM310提供了短信控制功能。同時(shí)通過(guò)對(duì)Zigbee RF4CE 協(xié)議的研究，選用Freescale 片上系統(tǒng)MC13233作為主控芯片，搭配RF4CE協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了家電設(shè)備RF4CE組網(wǎng)控制。整個(gè)系統(tǒng)可使用-外部終端（筆記本、智能手機(jī)等）通過(guò)網(wǎng)關(guān)控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境中的照明設(shè)備、溫濕度傳感設(shè)備、基礎(chǔ)家電設(shè)備（電視機(jī)＼CD＼DVD）的集中控制，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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