基于RF的智能家居无线通信网络架构设计
王倩 邹浙湘 刘谋君
摘 要： 随着智能家居的发展，智能管控需求大幅提升，有线网关已经无法满足功能需求。针对此问题，基于433 MHz频段的无线RF通信网络模块，设计一种适用于家庭网络的关联、管理系统。用搭载RF无线模块的智能终端通过内置WiFi模块发射控制信息或状态查询指令，通过服务器验证RF通信协议中的数据帧；采用PIC16F726单片机及SPI串行接口构成触发模块，以验证和筛选各类指令；采用高集成度、频率自调的Si4421型号单晶射频芯片来降低大型网络下服务器的负载，服务器再将处理、整合后的信息发送给指定设备终端，从而实现高效、全面的无线智能家居。
关键词： RF无线网络； 智能家居； 数据帧验证； 触发模块； Si4421芯片
中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0029?03
Abstract： With the development of modern intelligent home， the intelligent control demand has increased sharply， and the cable gateway has been unable to meet its functional requirements. In this situation， the RF wireless communication network module based on 433 MHz band was designed， which is suitable for association management system of home network. The intelligent terminal with RF wireless module transmits control information or status query commands through the built?in WiFi module and verifies the data frame in the RF communication protocol through server. PIC16F726 MCU and SPI serial interface are adopted to make up the trigger module to verify and screen various types of instructions. Si4421 model single crystal RF chip with high integration degree and frequency self?regulation is used to reduce the server load of large?scale networks. The server then sends the processed and integrated information to the designated equipment terminal， so as to achieve efficient and comprehensive wireless smart home.
Keywords： RF wireless network； smart home； data frame verification； trigger module； Si4421 chip
早期家居智能化通常是通過室内综合布线和控制端集成的方式实现各类电器设备的连网及管控，继而实现信息、资源间的共享、控制与传输[1]。然而近年来伴随着智能化程度加深，社会智能化程度越来越高，大型有线网络在布线及控制端集成、安装时技术难度倍增，架设成本也大幅提升，已无法满足现行智能化网络需求。本文基于短距RF技术中433 MHz频段的一类无线通信网络，进行优质智能网关系统的开发。
1 RF无线通信网络框架设计
RF智能家居无线网络系统功能结构如图1所示，整个系统可分为终端接收设备、管理设备和发射设备 [2]。为了便于用户终端从RF服务器中获取目标的状态信息，系统会在RF服务器上设定循环播报状态查询程序，不断向RF接收终端发送查询请求。此时，下属各RF终端经过指令识别区分操作命令和查询命令，判断查询字节对应的终端序列，核对编号。经查证后终端将执行状态查询命令，返回查询信息。若编号不匹配，则将指令作废，终端不返送任何消息。建立这种网络“IP”式关联系统可以实现设备群的精确控制和最新的状态查询，大幅提升网关设备群容量。
2 RF网络系统软、硬件组建
2.1 系统功能硬件设计
根据室内环境结构多变、障碍物对信号强度的影响较大的工程特性可知，指令编码传输、状态信息收发均要求载体信号具备极强的穿障碍物能力[3]。因此，常规短距通信技术无法实现这一功能需求，反而会限制信号覆盖的范围和信息清晰度；而433 MHz的ISM射频信号兼具穿透性和廉价性，可大范围多点覆盖，具备良好的架设基础。
RF射频模块的电路主要由PIC16F726单片机和具备高集成度的Si4421型号射频芯片构成。PIC16F726型单片机配备2个8位定时器加一个16位定时器，与SPI同步串行端口共同构成定时模块，功耗低、性能良好，适宜在无线收发中承担控制触发器的功能。
Si4421为多频段的全集成FSM单晶收发器，芯片各项指标严格遵守FCC和ETSI中的性能规定[4]。只需给Si4421添加一个外部晶体振荡器，并在电路中串联去耦电容即可满足工作需求。此外，Si4421出色的自动频率控制特性将大幅降低大型RF网关中的服务器负载和制造成本。
RF服务器与主控芯片间主要通过SPI接口进行各类数据交互。在无线网关芯片的SPI接口引脚释放成为普通的GPIO接口后，将对寄存器进行软件配置以管理设备。如NSS引脚配置SPI主模式（高电平），或者通过引脚置0（低电平）来选择目的RF从设备。
RF终端设备配置原理基本相同，也是通过SPI接口与设备芯片进行信息通信[5]。不同的是，终端设备需要通过引脚采集传感器数据、接收并识别操控和查询指令、反馈家电状态信息给主控器，并在RF服务器上储存备份，如图2所示。
2.2 RF核心通信协议设定
RF通信协议需要根据不同种类家电的功能独立设定数据帧，分别对应不同代码，以此保证信息传输的准确性。如图3所示，通常数据帧由10个字节组成，每个字节又由4位编码组成，包含家电的产品信息、产品编号、产品状态以及产品功能等设备特征，且对应各编码可独立进行验证，以防出现错误通信和无效通信[6]。
2.3 通信网络软件系统设计
RF服务器的软件程序的主要职能为：收集、整理控制设备端发出的携带有操控或状态查询指令的数据帧，以此实现信息交互和无线终端设备的状态管理，程序流程如图4所示。而根据常用家电设备的特征信息数据包大小，在规模较大的组网无线关联中，将网关主控芯片与RF服务器之间的SPI通信比特率设定在70 kb/s以上，才可实现稳定、流畅的智能管控[7]。另外，设定数据帧信息标志信息（以00/11区分），若出现“11”，则舍弃其他数据帧，将此数據帧通过Si4421下发出去，实现特定家电控制。设备终端在接收到下发的数据帧后，需先判断数据帧的类型。常见的控制命令数据帧主要有3种：全开、全关广播消息、控制家电全开或全关。根据每种指令，分别执行区域设备的独立、联合开闭。若是状态查询指令，则将本机产品编号和状态信息送入RF服务器对应寄存器暂存，留待数据整合后反馈给控制端[8?9]。
3 系统功能测验
为了验证系统的功能性和实用性，测试模拟了当用户携带智能终端进入控制区并接入WiFi网络后，发现目标设备后与其进行信息交互。Android智能终端与控制块同步通信，继而通过客户端软件来控制和管理照明设备的整个流程。另外，为了保证系统功能适用性，命令输入涵盖了3种不同的方式：按键命令、语音命令、短信命令。
（1） 用户携带移动控制中端进入网络覆盖区域，打开手机搜索网络，接入无线网关，控制端匹配成功，状态灯呈绿色。
（2） 用户对手机进行操作，发送“开灯”的控制命令短信到指定目标，手机终端屏幕网关系统中表示照明灯的图标亮起，约10 s后屋内对应照明灯点亮。测试重复20次，统计相关数据和状态信息。
（3） 用户对手机进行操作，运行手机设备绑定的Voice Search软件进行命令录入。语音说：“开启客厅照明灯。”，经识别处理，约5 s后，客厅照明灯点亮。测试重复20次，统计相关数据和状态信息。
（4） 用户对手机进行操作，直接在手机智能家居客户端上点击照明灯图标，图标由暗变亮，4～5 s后，室内对应照明设备点亮。测试重复20次，统计相关数据和状态信息。
熄灭的过程和效果、花费时常与点亮过程近似。统计实验数据得出结论：直接接入网络的语音和按键命令精确度高，耗时较短，短信控制花费时间较长。总体识别耗时均在5 s以内，精确度为99.8%，具备大规模网关扩充的潜力。
4 结 语
本文充分考虑到复杂环境下的通信质量和稳定度，在433 MHz以上频段，设计出一种基于RF技术的无线智能家居通信网络，分析了433 MHz频段RF智能网关系统的软、硬件设计与搭建。经过系统性功能测试，结果表明此RF系统成本较低、易实现、具备较高的功能精确度和稳定度。
参考文献
[1] ADINDA Peter， HALLARON D R O. Host load prediction using linear models [J]. Cluster computing， 2000， 3（4）： 132?145.
[2] 杨俊，王润生.智能化交通视频图像处理技术研究[J].电视技术，2006，30（9）：74?77.
[3] 陶在红，杨宇，常建华.基于ZigBee的智能家居控制系统设[J].现代电子技术，2014，37（23）：9?12.
[4] RANGANATHAN Kacitha， FOSTER Ian. Simulation studies of computation and data scheduling algorithms for data grids [J]. Journal of GRID Computing， 2003， 1（1）： 53?62.
[5] LOU Jianguang， LIU Qifeng， TAN Tieniu， et al. Semantic interpretation of object activities in a surveillance system [C]// Proceeding of 16th International Conference on Pattern Recognition. Quebec City， Quebec， Canada： IEEE， 2002： 104?115.
[6] LEACH J. TBSE?an engineering approach to the design of accurate and reliable security system [J]. Computer & security， 2004， 23（1）： 265?266.
[7] STEPEN M. A model of information management for construction using information technology [J]. Automation in construction， 2001（10）： 22?28.
[8] 李因东.基于ARM的家庭智能终端的设计与实现[D].济南：山东大学，2006.
[9] 章捷，颜文俊，姚维.无线家庭网络控制系统的设计[J].工业控制计算机，2003（4）：40?41.
摘 要： 随着智能家居的发展，智能管控需求大幅提升，有线网关已经无法满足功能需求。针对此问题，基于433 MHz频段的无线RF通信网络模块，设计一种适用于家庭网络的关联、管理系统。用搭载RF无线模块的智能终端通过内置WiFi模块发射控制信息或状态查询指令，通过服务器验证RF通信协议中的数据帧；采用PIC16F726单片机及SPI串行接口构成触发模块，以验证和筛选各类指令；采用高集成度、频率自调的Si4421型号单晶射频芯片来降低大型网络下服务器的负载，服务器再将处理、整合后的信息发送给指定设备终端，从而实现高效、全面的无线智能家居。
关键词： RF无线网络； 智能家居； 数据帧验证； 触发模块； Si4421芯片
中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0029?03
Abstract： With the development of modern intelligent home， the intelligent control demand has increased sharply， and the cable gateway has been unable to meet its functional requirements. In this situation， the RF wireless communication network module based on 433 MHz band was designed， which is suitable for association management system of home network. The intelligent terminal with RF wireless module transmits control information or status query commands through the built?in WiFi module and verifies the data frame in the RF communication protocol through server. PIC16F726 MCU and SPI serial interface are adopted to make up the trigger module to verify and screen various types of instructions. Si4421 model single crystal RF chip with high integration degree and frequency self?regulation is used to reduce the server load of large?scale networks. The server then sends the processed and integrated information to the designated equipment terminal， so as to achieve efficient and comprehensive wireless smart home.
Keywords： RF wireless network； smart home； data frame verification； trigger module； Si4421 chip
早期家居智能化通常是通過室内综合布线和控制端集成的方式实现各类电器设备的连网及管控，继而实现信息、资源间的共享、控制与传输[1]。然而近年来伴随着智能化程度加深，社会智能化程度越来越高，大型有线网络在布线及控制端集成、安装时技术难度倍增，架设成本也大幅提升，已无法满足现行智能化网络需求。本文基于短距RF技术中433 MHz频段的一类无线通信网络，进行优质智能网关系统的开发。
1 RF无线通信网络框架设计
RF智能家居无线网络系统功能结构如图1所示，整个系统可分为终端接收设备、管理设备和发射设备 [2]。为了便于用户终端从RF服务器中获取目标的状态信息，系统会在RF服务器上设定循环播报状态查询程序，不断向RF接收终端发送查询请求。此时，下属各RF终端经过指令识别区分操作命令和查询命令，判断查询字节对应的终端序列，核对编号。经查证后终端将执行状态查询命令，返回查询信息。若编号不匹配，则将指令作废，终端不返送任何消息。建立这种网络“IP”式关联系统可以实现设备群的精确控制和最新的状态查询，大幅提升网关设备群容量。
2 RF网络系统软、硬件组建
2.1 系统功能硬件设计
根据室内环境结构多变、障碍物对信号强度的影响较大的工程特性可知，指令编码传输、状态信息收发均要求载体信号具备极强的穿障碍物能力[3]。因此，常规短距通信技术无法实现这一功能需求，反而会限制信号覆盖的范围和信息清晰度；而433 MHz的ISM射频信号兼具穿透性和廉价性，可大范围多点覆盖，具备良好的架设基础。
RF射频模块的电路主要由PIC16F726单片机和具备高集成度的Si4421型号射频芯片构成。PIC16F726型单片机配备2个8位定时器加一个16位定时器，与SPI同步串行端口共同构成定时模块，功耗低、性能良好，适宜在无线收发中承担控制触发器的功能。
Si4421为多频段的全集成FSM单晶收发器，芯片各项指标严格遵守FCC和ETSI中的性能规定[4]。只需给Si4421添加一个外部晶体振荡器，并在电路中串联去耦电容即可满足工作需求。此外，Si4421出色的自动频率控制特性将大幅降低大型RF网关中的服务器负载和制造成本。
RF服务器与主控芯片间主要通过SPI接口进行各类数据交互。在无线网关芯片的SPI接口引脚释放成为普通的GPIO接口后，将对寄存器进行软件配置以管理设备。如NSS引脚配置SPI主模式（高电平），或者通过引脚置0（低电平）来选择目的RF从设备。
RF终端设备配置原理基本相同，也是通过SPI接口与设备芯片进行信息通信[5]。不同的是，终端设备需要通过引脚采集传感器数据、接收并识别操控和查询指令、反馈家电状态信息给主控器，并在RF服务器上储存备份，如图2所示。
2.2 RF核心通信协议设定
RF通信协议需要根据不同种类家电的功能独立设定数据帧，分别对应不同代码，以此保证信息传输的准确性。如图3所示，通常数据帧由10个字节组成，每个字节又由4位编码组成，包含家电的产品信息、产品编号、产品状态以及产品功能等设备特征，且对应各编码可独立进行验证，以防出现错误通信和无效通信[6]。
2.3 通信网络软件系统设计
RF服务器的软件程序的主要职能为：收集、整理控制设备端发出的携带有操控或状态查询指令的数据帧，以此实现信息交互和无线终端设备的状态管理，程序流程如图4所示。而根据常用家电设备的特征信息数据包大小，在规模较大的组网无线关联中，将网关主控芯片与RF服务器之间的SPI通信比特率设定在70 kb/s以上，才可实现稳定、流畅的智能管控[7]。另外，设定数据帧信息标志信息（以00/11区分），若出现“11”，则舍弃其他数据帧，将此数據帧通过Si4421下发出去，实现特定家电控制。设备终端在接收到下发的数据帧后，需先判断数据帧的类型。常见的控制命令数据帧主要有3种：全开、全关广播消息、控制家电全开或全关。根据每种指令，分别执行区域设备的独立、联合开闭。若是状态查询指令，则将本机产品编号和状态信息送入RF服务器对应寄存器暂存，留待数据整合后反馈给控制端[8?9]。
3 系统功能测验
为了验证系统的功能性和实用性，测试模拟了当用户携带智能终端进入控制区并接入WiFi网络后，发现目标设备后与其进行信息交互。Android智能终端与控制块同步通信，继而通过客户端软件来控制和管理照明设备的整个流程。另外，为了保证系统功能适用性，命令输入涵盖了3种不同的方式：按键命令、语音命令、短信命令。
（1） 用户携带移动控制中端进入网络覆盖区域，打开手机搜索网络，接入无线网关，控制端匹配成功，状态灯呈绿色。
（2） 用户对手机进行操作，发送“开灯”的控制命令短信到指定目标，手机终端屏幕网关系统中表示照明灯的图标亮起，约10 s后屋内对应照明灯点亮。测试重复20次，统计相关数据和状态信息。
（3） 用户对手机进行操作，运行手机设备绑定的Voice Search软件进行命令录入。语音说：“开启客厅照明灯。”，经识别处理，约5 s后，客厅照明灯点亮。测试重复20次，统计相关数据和状态信息。
（4） 用户对手机进行操作，直接在手机智能家居客户端上点击照明灯图标，图标由暗变亮，4～5 s后，室内对应照明设备点亮。测试重复20次，统计相关数据和状态信息。
熄灭的过程和效果、花费时常与点亮过程近似。统计实验数据得出结论：直接接入网络的语音和按键命令精确度高，耗时较短，短信控制花费时间较长。总体识别耗时均在5 s以内，精确度为99.8%，具备大规模网关扩充的潜力。
4 结 语
本文充分考虑到复杂环境下的通信质量和稳定度，在433 MHz以上频段，设计出一种基于RF技术的无线智能家居通信网络，分析了433 MHz频段RF智能网关系统的软、硬件设计与搭建。经过系统性功能测试，结果表明此RF系统成本较低、易实现、具备较高的功能精确度和稳定度。
参考文献
[1] ADINDA Peter， HALLARON D R O. Host load prediction using linear models [J]. Cluster computing， 2000， 3（4）： 132?145.
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[7] STEPEN M. A model of information management for construction using information technology [J]. Automation in construction， 2001（10）： 22?28.
[8] 李因东.基于ARM的家庭智能终端的设计与实现[D].济南：山东大学，2006.
[9] 章捷，颜文俊，姚维.无线家庭网络控制系统的设计[J].工业控制计算机，2003（4）：40?41.
