多協(xié)議融合的智能家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

聶亨，廖惜春

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多協(xié)議融合的智能家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

聶亨，廖惜春

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

現(xiàn)有智能家居網(wǎng)關(guān)或是功能不完整，或是數(shù)據(jù)傳輸復(fù)雜、靈活性差、成本高，難以滿足智能家居系統(tǒng)便捷、靈活、廉價(jià)的要求. 本文所述無(wú)線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，以STM32F103RBT6為主控芯片，融合了WiFi、GPRS和低成本nRF24L01無(wú)線通信模塊，并使用自定義的內(nèi)網(wǎng)無(wú)線通信協(xié)議，有效地解決了多協(xié)議融合及內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

智能家居；無(wú)線通信協(xié)議；短距離無(wú)線通信；STM32

智能家居通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等將日常家居生活中的安防、照明、電器等進(jìn)行統(tǒng)籌管理，使家居生活更舒適、更安全、更符合當(dāng)代人的要求[1]. 其中家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)作為家居網(wǎng)絡(luò)與外界通信網(wǎng)的“溝通翻譯機(jī)”，地位尤其重要. 現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的多樣性與手持智能終端的普及，決定了無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控途徑的多樣性. 現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分無(wú)線網(wǎng)關(guān)存在接入網(wǎng)絡(luò)單一、對(duì)PC機(jī)高度依賴(lài)和只能監(jiān)測(cè)不能控制等不足，本文采用高集成STM32F103RBT6芯片，外加GPRS、WiFi/以太網(wǎng)模塊和低成本、底層全開(kāi)放的nRF24L01模塊組成硬件平臺(tái)，將以太網(wǎng)、WiFi（IEEE802.11n）、GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)等三大通信協(xié)議與自定義的家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議融合，同時(shí)使用手持智能終端監(jiān)控軟件和短信命令進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了多協(xié)議的相輔融合，解決了接入網(wǎng)絡(luò)的單一性與監(jiān)控的實(shí)時(shí)性問(wèn)題、降低了智能家居系統(tǒng)對(duì)PC機(jī)的依賴(lài).

1 基于多協(xié)議融合的智能家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)概述

1.1 智能家居系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)包括安全防衛(wèi)、能源監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家電控制、照明控制以及家庭娛樂(lè)等幾大部分（其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示），家庭網(wǎng)關(guān)可通過(guò)室內(nèi)短距離無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與之連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控；也可通過(guò)以太網(wǎng)、WiFi、GPRS等網(wǎng)絡(luò)與室外用戶(hù)交互信息，為用戶(hù)提供安全、舒適、便捷的家居環(huán)境.

圖1 智能家居系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 智能家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)與工作原理

智能家居網(wǎng)關(guān)是家庭內(nèi)外信息交流的門(mén)戶(hù)，其作用是協(xié)調(diào)各模塊、各協(xié)議間的轉(zhuǎn)換[2]，其硬件電路組成如圖2所示. 其中，GPRS模塊的功能是遠(yuǎn)程短信控制，WiFi的功能是利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程使用人機(jī)交互界面以實(shí)施監(jiān)控，nRF24L01的功能是傳輸家居內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，JTAG的功能是測(cè)試網(wǎng)關(guān)運(yùn)行情況并做相應(yīng)的調(diào)整.

圖2 智能家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

用戶(hù)可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備上的互聯(lián)網(wǎng)控制軟件，查詢(xún)或控制家里各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；無(wú)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，也可以通過(guò)手機(jī)短信、GPRS等傳輸數(shù)據(jù)，及時(shí)接收家居報(bào)警節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息. 2種方式的控制形式如下：

1）軟件控制形式. STM32F103RBT6主控模塊采集家中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，再發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備上；同時(shí)，主控模塊通過(guò)WiFi模塊接收相應(yīng)的控制命令編碼，經(jīng)過(guò)內(nèi)部協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后傳輸給RF模塊（主），RF模塊（主）同樣按照相應(yīng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)編碼并進(jìn)行必要的處理后，發(fā)送給對(duì)應(yīng)家電的RF模塊（從），當(dāng)對(duì)應(yīng)家電上的RF模塊接收到正確的控制命令編碼后，便可以通過(guò)家電控制器來(lái)控制家電執(zhí)行相應(yīng)的操作[3].

2）短信控制形式. GPRS模塊中設(shè)定特定指令，在手機(jī)上以短信方式輸入特定指令并發(fā)送. GPRS模塊接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，再通過(guò)RF模塊（主）發(fā)送給RF模塊（從），從而對(duì)指定家電進(jìn)行相應(yīng)操作.

1.3 智能家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)的多協(xié)議轉(zhuǎn)換

本網(wǎng)關(guān)融合了以太網(wǎng)協(xié)議、IEEE802.11n協(xié)議、GPRS協(xié)議與家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換. 以太網(wǎng)協(xié)議與IEEE802.3協(xié)議類(lèi)似，是總線網(wǎng)協(xié)議. IEEE802.11n是無(wú)線網(wǎng)協(xié)議，即TCP/UDP協(xié)議，網(wǎng)關(guān)使用WiFi模塊時(shí)，只需要解讀TCP/UDP協(xié)議即可. 網(wǎng)關(guān)使用的協(xié)議是TCP協(xié)議，它分為11部分，數(shù)據(jù)部分為第11部分，在TCP包中，除去20 bit的包頭，可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)長(zhǎng)度為1 460 bit. 當(dāng)遠(yuǎn)程終端發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)時(shí)，網(wǎng)關(guān)去掉包頭的20個(gè)字節(jié)后提取剩下的數(shù)據(jù)，即為遠(yuǎn)程終端發(fā)送來(lái)的內(nèi)容；然后，將數(shù)據(jù)按家居無(wú)線網(wǎng)協(xié)議幀的結(jié)構(gòu)封裝進(jìn)SPI傳輸給nRF24L01，發(fā)送給家居節(jié)點(diǎn). 反之，網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，提取數(shù)據(jù)內(nèi)容后，加上TCP的包頭，就能經(jīng)過(guò)WiFi模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程終端. GPRS是經(jīng)過(guò)AT指令集進(jìn)行收發(fā)的，發(fā)送和接收方法與經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)類(lèi)似. 本網(wǎng)關(guān)中不同協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示.

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖

2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)的組成模塊介紹

如圖2所示，無(wú)線網(wǎng)關(guān)主體由主控模塊、GPRS通信模塊、以太網(wǎng)/WiFi通信模塊以及RF模塊組成. 以下分別介紹各個(gè)模塊的硬件選取與參數(shù).

2.1 主控模塊

網(wǎng)關(guān)選取STM32F103RBT6作為主芯片，該微處理器具有ARM CortexM3內(nèi)核，最大時(shí)鐘頻率為72 MHz，內(nèi)置高達(dá)128 kbit的Flash存儲(chǔ)器和20 kbit的SRAM，具有豐富的通用I/O端口. 芯片有3個(gè)串口和1個(gè)SPI接口，足夠添加GSM模塊、WiFi模塊和nRF24L01模塊（UART1連接GSM、UART2連接WiFi模塊、SPI接口連接nRF24L01）. 芯片內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器及休眠、停止、待機(jī)3種低功耗狀態(tài)的切換，工作電壓為2.0～3.6 V.

2.2 GPRS通信模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)是一種覆蓋范圍廣、性能完善的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采用GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性高、安全可靠、通信成本低[4]. 網(wǎng)關(guān)選取SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)GPRS通信，其工作電壓為3.2～4.8 V，支持頻段為，支持一個(gè)UART接口，SIM900A模塊通過(guò)該接口與STM32F103RBT6通信. 網(wǎng)關(guān)可通過(guò)該模塊給用戶(hù)發(fā)短信及時(shí)上報(bào)告警信息，或接收用戶(hù)短信指令以響應(yīng)用戶(hù)的遠(yuǎn)程操作.

2.3 以太網(wǎng)/WiFi通信模塊

網(wǎng)關(guān)選取高性能UART-EHT-WiFi模塊ATK-RM04. 它自帶串行通信接口、以太網(wǎng)接口和WiFi、無(wú)線路由功能，并具有LAN和WLAN兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能靈活地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)串口通信、以太網(wǎng)通信和WiFi通信3個(gè)接口間的轉(zhuǎn)換.

用戶(hù)在室內(nèi)有WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以使用COM-WiFi STA連接互聯(lián)網(wǎng)；在室內(nèi)沒(méi)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以使用EHT-COM（以太網(wǎng)接口）連接互聯(lián)網(wǎng)；如果室內(nèi)無(wú)網(wǎng)絡(luò)，還可以使用COM-WiFiAP，將家居網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)無(wú)線路由器進(jìn)行局域網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸.

2.4 RF模塊

3 無(wú)線網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的每個(gè)子模塊都需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和功能實(shí)現(xiàn)程序，如GPRS模塊需要編寫(xiě)基本的收發(fā)功能程序，此外還可以編寫(xiě)GPRS上網(wǎng)、撥號(hào)通話等功能程序. 圖4為無(wú)線網(wǎng)關(guān)的總程序流程圖.

圖4 總程序流程圖

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)中以太網(wǎng)協(xié)議、IEEE802.11n協(xié)議、GPRS協(xié)議、家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，本文自定義了如圖5所示的家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，并指定了各個(gè)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)需求表，主要為Data的內(nèi)容. 以接收上行數(shù)據(jù)為例，網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后的操作：1）提取第0位數(shù)據(jù)，判斷其是否為本家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備執(zhí)行相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的操作；2）提取第15位數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)接收是否完成；3）提取第4、第5位數(shù)據(jù)，再次判斷其是否為本機(jī)所屬的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)（Flag Bit為系統(tǒng)從0～99中產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)數(shù)），這樣的雙層驗(yàn)證，能有效防止錯(cuò)誤接收非本家居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在一定程度上防止了不法滲透；4）提取第14位CRC校驗(yàn)碼，判斷本次接收的數(shù)據(jù)是否為節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送的數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如果不是，網(wǎng)關(guān)會(huì)自動(dòng)發(fā)送“重發(fā)命令給節(jié)點(diǎn)”，讓節(jié)點(diǎn)再次發(fā)送數(shù)據(jù)，再重復(fù)前三步的操作，直到接收到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)為止；5）提取第1～3位和第6～8位的數(shù)據(jù)，判斷發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的地址的IP號(hào)；6）提取第9～13位的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相關(guān)的操作，轉(zhuǎn)換打包，傳輸給WiFi模塊或者GPRS模塊，最后發(fā)送給用戶(hù). 下行的數(shù)據(jù)操作類(lèi)似. 其中互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)均由MAC協(xié)議中的數(shù)據(jù)字段提取，然后經(jīng)過(guò)AT指令集，使用串口進(jìn)行模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸.

圖5 家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

圖6 節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)分析

以打開(kāi)智能燈1為例，解釋各部分?jǐn)?shù)據(jù)所包含的信息. 因6為網(wǎng)關(guān)發(fā)送到節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)按上述協(xié)議封裝后的數(shù)據(jù).

使用自定義的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀具有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1）防止同頻同幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)互相串?dāng)_；2）靈活性大，預(yù)留的地址長(zhǎng)度可以自行添加新節(jié)點(diǎn)，不受任何限制；3）安全性能好，使用公用協(xié)議幀，容易被不法分子盜取數(shù)據(jù)包進(jìn)行非法操控，而自定義協(xié)議的加密技術(shù)（Flag Bit）可以自行定義或更新，大大提高了安全性。

3.2 GPRS通信程序

提取短信的內(nèi)容是網(wǎng)關(guān)準(zhǔn)確發(fā)送命令給節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵. 以下為提取內(nèi)容的程序：

p=mymalloc(SRAMIN，200);

p1=(u8*)strstr((const char*)(USART2_RX_BUF)，"，");

sprintf((char*)p，"AT+CMGR=%s"，p1+1);

if(sim900a_send_cmd(p，"+CMGR:"，200)==0)

{p1=(u8*)strstr((const char*)(USART2_RX_BUF)，"，");

p2=(u8*)strstr((const char*)(p1+2)，""");

p2[0]=0;

p1=(u8*)strstr((const char*)(p2+1)，"/");

p2=(u8*)strstr((const char*)(p1)，"+");

p2[0]=0;

p1=(u8*)strstr((const char*)(p2+1)，" ");

sim900a_unigbk_exchange(p1+2，p，0);//為unicode碼轉(zhuǎn)gbk碼}

3.3 WiFi通信程序

圖7為WiFi通信程序的流程圖. 一般情況下選擇WiFista模式以適應(yīng)短距離通信，長(zhǎng)距離通信利用Internet進(jìn)行傳輸. ATK-RM04網(wǎng)卡參數(shù)配置的主干程序如下：

圖7 WiFi通信程序流程圖

/////設(shè)置WiFi網(wǎng)卡模式，連接到無(wú)線路由器/////

send_cmd("at+netmode=2"，"ok"，500);

send_cmd("at+dhcpd=0"，"ok"，500);

send_cmd("at+dhcpc=1"，"ok"，500);

sprintf((char*)p，"at+wifi_conf=%s，%s，%s"，wifista_ssid，wifista_encryption，wifista_password);

send_cmd(p，"ok"，500);

/////選擇TCP協(xié)議，配置IP地址，設(shè)置為Server Mode/////

PRESTA:

netpro=m04_netpro_sel(50，30，(u8*)ATK_RM04_NETMODE_TBL[2]);

sprintf((char*)p，"at+remoteport=%s"，portnum);

send_cmd(p，"ok"，500);

if(netpro&0X01)

{ if(ip_set("WIFI-STA 遠(yuǎn)端IP設(shè)置"，(u8*)ATK_RM04_WORKMODE_TBL[netpro]，(u8*)portnum，ipbuf))goto PRESTA;

sprintf((char*)p，"at+remoteip=%s"，ipbuf);

send_cmd(p，"ok"，500);

send_cmd("at+mode=client"，"ok"，500);}

if((netpro&0X01)==0)get_wanip(ipbuf);

wificonf_show(30，180，"請(qǐng)?jiān)O(shè)置路由器無(wú)線參數(shù)為:"，

(u8*)wifista_ssid，(u8*)wifista_encryption，(u8*)wifista_password);

3.4 nRF24L01通信程序

下行時(shí)，當(dāng)MCU接收到通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的指令后，按照數(shù)據(jù)需求表，取出Data的內(nèi)容打包成Tx_Buf，然后經(jīng)過(guò)nRF24L01發(fā)送給下位機(jī). 反之亦然. 圖8為nRF24L01通信程序的算法流程.

圖8 nRF24L01收發(fā)算法框圖

3.5 數(shù)據(jù)測(cè)試

接收的數(shù)據(jù)包解讀的結(jié)果是IP為000000的網(wǎng)關(guān)發(fā)送給IP為000001的節(jié)點(diǎn)，操作為打開(kāi)節(jié)點(diǎn)1.表1和表2分別是部分家居節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)情況.

表1 家居節(jié)點(diǎn)反饋網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)需求表

表2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)對(duì)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需求表

測(cè)試以上節(jié)點(diǎn)，結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果

4 總結(jié)

融合了多協(xié)議的家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)接入途徑與功能多樣性的重要保障. 本文設(shè)計(jì)的家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)采用了嵌入式的硬件系統(tǒng)平臺(tái)，運(yùn)用了多協(xié)議融合的方法，經(jīng)測(cè)試，該網(wǎng)關(guān)基本功能運(yùn)作正常，初步達(dá)到了多協(xié)議融合的目的，預(yù)期可應(yīng)用于家居、酒店房間或辦公室中. 但由于智能家居網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，且不同商家使用的無(wú)線模塊、無(wú)線協(xié)議各不相同，因此無(wú)法將不同品牌的無(wú)線產(chǎn)品組成一個(gè)家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者無(wú)法在家居網(wǎng)絡(luò)中隨便添加不同品牌的無(wú)線產(chǎn)品；同時(shí)本網(wǎng)關(guān)不能用在大型或障礙物較多的場(chǎng)所. 要完善本文設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)，首先要確定使用nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊組成的家居節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)距離，然后才能制定出一個(gè)切實(shí)的路由方案將其應(yīng)用到不同環(huán)境的場(chǎng)所中.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Design and Implementation of the Smart Home Wireless Gateway Based on Multi-protocol

NIEHeng, LIAOXi-chun

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Existing functions of the smart home gateway are incomplete, with low flexibility, high cost，and complicated data transmission, and cannot adapt to the requirements for the hardware of the current home: Convenience, quickness, flexibility and low cost. In light of the requirements, a wireless gateway was designed based on the STM32F103RBT6, and it incorporated GPRS, WiFi and the low cost nRF24L01 module and adopted the custom internal network wireless communication protocol. The problem of the data conversion between internal and external networks was resolved effectively, achieving real-time monitoring of the smart home.

smart homes; wireless communication protocol; short distance wireless communication; STM32

1006-7302（2015）02-0061-07

TN919

A

2014-12-11

江門(mén)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（江財(cái)工[2011]131號(hào)）

聶亨（1989—），男，廣東肇慶人，在讀碩士生，主要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用；廖惜春，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理研究.