張珣 殳佳輝

摘 要：鑒于Sub-G頻段具有相同功率下傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點，設(shè)計在Sub-G頻段下建立家庭智能照明無線控制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)能力，為樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在大大提高信息傳遞效率的同時還能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行“精確定點”，使得設(shè)備在安裝、管理與維修方面具有巨大優(yōu)勢。借助該系統(tǒng)不僅可以搭建整套智能家居，還可以為區(qū)域照明提供無線控制解決方案。

關(guān)鍵詞：Sub-G頻段;自組網(wǎng);智能照明;樹形拓?fù)?/p>

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）02-00-03

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)和智能家居產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，無線通信及其協(xié)議也再次成為熱門研究方向。目前市場上應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和智能家居產(chǎn)業(yè)的無線通信協(xié)議主要有WiFi，ZigBee和藍(lán)牙[1]三種。這三種無線協(xié)議都有其各自的優(yōu)點與缺點。本文項目旨在構(gòu)建一種小型但成本低、能耗低、適應(yīng)性好、維護(hù)性好且更加安全的無線通信協(xié)議，為智能家居乃至小區(qū)規(guī)劃、區(qū)域建設(shè)提供新思路[2]。

該無線協(xié)議搭建在433 MHz頻率下，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場景并兼顧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的穩(wěn)定性和覆蓋區(qū)域，該協(xié)議使用樹形-星形混合拓?fù)?，繼承了樹形拓?fù)涞耐暾缸舆壿?，并在此基礎(chǔ)上建立了設(shè)備結(jié)構(gòu)層級，極大地提高了信息傳遞的精確度，在防止信號和能量冗余方面也有顯著效果[3-4]。同時，該協(xié)議的特殊結(jié)構(gòu)以及自動組網(wǎng)的特性使得設(shè)備節(jié)點的安裝、檢修十分方便，亦可廣泛應(yīng)用于工廠設(shè)備管理中。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)采用Sub-G頻段自組網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)關(guān)與終端節(jié)點自動組成樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。用戶可以通過移動設(shè)備或者網(wǎng)頁端進(jìn)入控制界面，對家庭智能設(shè)備進(jìn)行控制?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制電路模塊

通過分析市場上的射頻芯片，決定將BQ3905作為系統(tǒng)的主芯片[5]。BQ3905是一個高度集成的Wideband FSK多通道半雙工收發(fā)器，運(yùn)行在低于1 GHz的無許可ISM波段，接收部分為完全集成的low-if架構(gòu)。采用Fractional-N合成器進(jìn)行PLL調(diào)制，用于FSK傳輸。BQ3905適用于無許可證（ISM）波段的無線應(yīng)用，高度集成，僅需很少的外部組件。BQ3905的頻段選擇較多，為系統(tǒng)選擇433.92 MHz頻段進(jìn)行組網(wǎng)通信。基于BQ3905的無線模塊電路設(shè)計如圖2所示。

控制電路的主控芯片采用松翰公司設(shè)計生產(chǎn)的UTF87001[6]。UTF87001是一款增強(qiáng)型8051微控制器，擁有高達(dá)32 MHz的CPU頻率，4 kB非易失性FLASH存儲器（IROM），支持在線編程功能，256 B內(nèi)部RAM，

13個中斷源，可控制中斷的優(yōu)先等級以及獨立的中斷向量，12個內(nèi)部中斷，1組8/16位PWM發(fā)生器，12位SAR ADC，包括10個外部通道和2個內(nèi)部通道，以及4個內(nèi)部參考電壓，SPI/UART接口，支持SMBus的I2C接口，工作電壓范圍大（1.8～5.5 V），溫度范圍為-85 ℃～-40 ℃，可應(yīng)用于無刷直流電機(jī)、家用自動化產(chǎn)品等。UTF87001 14引腳封裝如圖3所示。

上述芯片不僅擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和處理性能，其成本相比市面上其他射頻芯片與MCU也有較大優(yōu)勢，符合本文通信協(xié)議的“低成本”要求。

2.2 射頻電路接收板

射頻電路接收板連接P0.1～P0.3，P0.7為撥碼開關(guān)，P1.5為PWM輸出可控硅控制電路接口，P1.6為過零電路同步信號輸入引腳，P1.7引腳標(biāo)紅，代表有改動或者新增引腳，P1.8為撥碼開關(guān)，一側(cè)接引腳，一側(cè)下拉到VSS[7]。除上述引腳與下載口外，需再引出VDD排針和VSS排針。接收板芯片如圖4所示。

可控硅過零電路：交流220 V信號直接接2個1 MΩ電阻，作為同步信號，輸入到過零電路同步信號輸入引腳。此外射頻電路接收板還增加了物理開關(guān)，控制220 V進(jìn)電。

2.3 射頻電路發(fā)送板

發(fā)送板使用5708芯片，無需調(diào)光。此外，引腳和片上元件除SWAT外，布局與接收板完全相同。芯片引腳如圖5所示。

2.4 燈控模塊

本文項目采用的LM78 WiFi燈控模組擁有業(yè)內(nèi)極富競爭力的封裝尺寸和PWM調(diào)制技術(shù)。LM78智能燈模組可廣泛應(yīng)用于球泡燈、LED數(shù)碼管、LED網(wǎng)屏、全彩LED點光源等，支持各種語音控制，包括亞馬遜語音控制[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件主控流程

節(jié)點設(shè)備持續(xù)等待發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)信號，當(dāng)接收到來自發(fā)送端的信號后通過通信協(xié)議判斷該信號的具體內(nèi)容。若是有效請求進(jìn)入，則廣播數(shù)據(jù)包延時50 ms，同時接收模式延時2 s，之后判斷是否有應(yīng)答返回。若是，則等待，若否，則繼續(xù)等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。軟件主控流程如圖6所示。

3.2 組網(wǎng)構(gòu)建

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為投放節(jié)點、運(yùn)輸節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點三種類型，其等級依次降低。某一設(shè)備只能主動向同級或低級設(shè)備發(fā)送組網(wǎng)請求，但能夠被動接收高級設(shè)備的組網(wǎng)邀請。相比于普通的網(wǎng)狀設(shè)備，即網(wǎng)絡(luò)通過泛洪（將信息發(fā)送給所有能連接到的節(jié)點）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種分類型的設(shè)備結(jié)構(gòu)層次不僅能提高信息的傳遞效率，也能做到設(shè)備的“精確定點”，這在設(shè)備的安裝、管理與維修方面都具有巨大優(yōu)勢。組網(wǎng)架構(gòu)如圖7所示。

組網(wǎng)結(jié)構(gòu)為樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而第二層（運(yùn)輸層）節(jié)點之間又構(gòu)成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅彌補(bǔ)了普通樹形拓?fù)滏溌窋?shù)量較少的缺點，也使得整個路由協(xié)議更加靈活。而第三層（目標(biāo)層）采用多連接樹形結(jié)構(gòu)，既具有普通樹狀拓?fù)涞耐暾缸舆壿嫞植皇切瓮負(fù)涞膹V度，在實際路由過程中能兼顧較少運(yùn)算量和較精確路由規(guī)劃兩大方面，是控制成本與功耗的軟件基礎(chǔ)。

組網(wǎng)協(xié)議是深度為三層的層間通信協(xié)議。由于每層的節(jié)點等級不同，因此具有不同的功能。最底層的目標(biāo)節(jié)點只具有接收、處理與上報數(shù)據(jù)的功能，是組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的最末端節(jié)點;第二層的運(yùn)輸節(jié)點能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，包括上報、下達(dá)與同級傳遞三種轉(zhuǎn)發(fā)方式，是組網(wǎng)協(xié)議中的核心信息傳遞層;第一層的投放節(jié)點是組網(wǎng)協(xié)議中等級最高的節(jié)點，具有下達(dá)建立組網(wǎng)消息、收集子節(jié)點信息等功能。

3.3 報文格式

在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，每一個設(shè)備都有唯一的16位設(shè)備ID，其ID命名方式為區(qū)+域+塊，用于設(shè)備間的識別和信息的精確轉(zhuǎn)發(fā)。組網(wǎng)協(xié)議以報文形式傳遞信息，一幀報文共15 B，其格式如下：

[0]頭序列碼 [1]下一跳地址高

[2]下一跳地址低 [3]目標(biāo)地址高

[4]目標(biāo)地址低 [5]上一跳地址高

[6]上一跳地址低 [7]目標(biāo)地址高

[8]目標(biāo)地址低 [9]數(shù)據(jù)描述符

[10]數(shù)據(jù)聲明符 [11]數(shù)據(jù)位高

[12]數(shù)據(jù)位低 [13]校驗碼

[14]尾序列碼

一幀報文中，頭序列、尾序列與大部分協(xié)議一樣均用于報文的同步;上一跳、下一跳地址用于節(jié)點與節(jié)點之間的報文傳遞;源地址、目標(biāo)地址用于報文定位來源與需要傳遞的目的地;數(shù)據(jù)申明與描述符用于數(shù)據(jù)類型的判斷;校驗碼用于報文的校驗，檢驗碼的形式為報文第一到十二字節(jié)的無符號加法再取反。

同時，為了限制報文轉(zhuǎn)發(fā)深度，防止陷入“三角轉(zhuǎn)發(fā)”的死循環(huán)，協(xié)議中還規(guī)定了同一報文的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)到達(dá)上限時，將該報文視為不可到達(dá)，將其丟棄。

3.4 加密算法

由于系統(tǒng)采用無線通信，因此安全性是重要的考慮因素。協(xié)議采用階數(shù)可變的邊沿檢測型加密算法—Manchester差分編碼。相比普通的加密算法，Manchester編碼能夠自動攜帶相位信號，但缺點是運(yùn)算量較大、硬件資源消耗量較大、效率最高只能達(dá)到50%。改進(jìn)后應(yīng)用于組網(wǎng)協(xié)議的Manchester差分編碼以電平跳變?yōu)橄辔唬刑儙膶?yīng)編碼為1，無跳變幀的對應(yīng)編碼為0。因此只需知道第一位數(shù)據(jù)與每兩位數(shù)據(jù)的跳變信息就能夠?qū)⒃畔⒔獯a，大大降低了硬件資源需求和運(yùn)算量，并且能達(dá)到100%的信息傳輸效率。為了彌補(bǔ)由于算法簡化帶來的安全風(fēng)險，特在無線協(xié)議中使用了一種約定式加密階數(shù)的方案。設(shè)備在剛?cè)刖W(wǎng)時會以一個隨機(jī)的Manchester差分加密階數(shù)進(jìn)行通信，該階數(shù)會在重啟或一定時間后自動更換，以降低數(shù)據(jù)被解碼的可能性，從而保障數(shù)據(jù)安全。Manchester差分編碼時序如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試

本文對家庭智能照明系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)測試，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果符合預(yù)期要求。主要測試了下面幾個測試點：

（1）18個節(jié)點（包括3個二級節(jié)點與15個一級節(jié)點）與1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的三層組網(wǎng)過程;

（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點與子節(jié)點間的單點通信，實現(xiàn)對單燈狀態(tài)的控制;

（3）網(wǎng)關(guān)與所有子節(jié)點間的多點控制，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)所有燈狀態(tài)的控制;

（4）二級節(jié)點與三級節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)過程;

（5）射頻板的穿墻性能。

5 結(jié) 語

本文項目設(shè)計的無線通信協(xié)議基于物聯(lián)網(wǎng)通信需求，為其量身定制了一套穩(wěn)定、高效的組網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了能夠滿足不同場景下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的組網(wǎng)模式，不論設(shè)備的檔次高低與規(guī)模大小，都擁有良好的穩(wěn)定性與快速組網(wǎng)能力。同時，其低成本、低功耗的特點也能使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，更好地服務(wù)于信息化、智能化的城市建設(shè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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