智能家居無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

　　摘 要：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，其中nRF24L01 射頻模塊有32 個字節(jié)的數(shù)據(jù)載荷長度。通過對載荷數(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)控平臺對家居環(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，并能通過場景設(shè)定使多個設(shè)備間形成聯(lián)動。

　　家庭網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)中，整個系統(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)?，是在第三層的基礎(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，對整個系統(tǒng)性能的發(fā)揮和使用至關(guān)重要。本文主要針對第三、四層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)符合智能家居系統(tǒng)平臺的數(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)的程序存儲空間，20K 字節(jié)的RAM，最高工作時鐘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，時鐘信號引腳，MISO 和MOSI 口；PB12-PB15 分別作為以太網(wǎng)芯片ENC28J60 的片選信號，時鐘信號引腳，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 和時鐘信號引腳，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)。