一種基于ZigbeeRF4CE的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計

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控制，設(shè)備相互之間不能通信，這阻礙了設(shè)備的無線化集中控制。針對這種情況，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。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)備無線組網(wǎng)。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備的無線集中控制，實(shí)現(xiàn)家電和用戶的雙向交互。

關(guān)鍵詞：Zigbee RF4CE；MC13233

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)備的無線集中控制是當(dāng)下智能家居發(fā)展的必然趨勢。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，用戶在使用過程中容易產(chǎn)生混亂。另外，紅外遙控具有點(diǎn)對點(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)備的無線化集中控制[1]。為解決這些問題，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無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)展而來，旨在為消費(fèi)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程控制建立一個簡單、強(qiáng)大、低成本、低功耗的無線通信標(biāo)準(zhǔn)[2]。本文目的即在設(shè)計和實(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及移動終端、計算機(jī)終端等）?？刂平K端可通過有線寬帶/GPRS/3G/4G等技術(shù)接入Internet。同時整個智能家居網(wǎng)絡(luò)做為一個局域網(wǎng)連接到Internet。終端用戶可通過web網(wǎng)頁訪問家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)置web服務(wù)器，獲取存儲在家庭網(wǎng)關(guān)單元中的家用設(shè)備數(shù)據(jù)。同時可以通過web頁面或以短信形式對家中的任意聯(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，使得用戶可以通過有線/無線網(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。一般采用無線個域網(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)議的無線網(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個及以上設(shè)備以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成一個RC（Remote Control）個人局域網(wǎng)（PAN）。然后多個RC PAN就可以形成一個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、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)家電類型和安裝位置，將家庭內(nèi)網(wǎng)劃分為多個PAN網(wǎng)絡(luò)。每個PAN網(wǎng)絡(luò)中有一個負(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，需要預(yù)先對設(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)支持多種用戶交互模式。RF4CE網(wǎng)絡(luò)則利用安裝在電器上的RF4CE無線模塊，將家電設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，定時收集電器的信息發(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)的用戶操作命令。

3.2 家庭網(wǎng)關(guān)控制單元設(shè)計

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。

為了方便移動終端的控制，選用華為的低功耗GSM/GPRS無線模塊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EM310進(jìn)行配置，EM310模塊通過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)及各個功能模塊初始化、串口/網(wǎng)絡(luò)口接收中斷/定時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幀，幀結(jié)構(gòu)包括：幀頭、幀序號、節(jié)點(diǎn)源與目的地址、主從二級控制命令字、N字節(jié)數(shù)據(jù)、校驗(yàn)與幀尾。

3.3 RF4CE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

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開發(fā)的ZigBee RF4CE協(xié)議棧又名BeeStack Consumer協(xié)議棧。為方便開發(fā)者配置，F(xiàn)reescale在BeeStack Consumer協(xié)議之上創(chuàng)建了一個嵌入式應(yīng)用程序BeeStack Consumer BlackBox。BlackBox支持通過UART或者IIC接口訪問RF4CE網(wǎng)絡(luò)的所有特性，大大降低了開發(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)層并清空配對表中所有配對數(shù)據(jù)（執(zhí)行RF4CE_NWK_Reset.Request命令）、節(jié)點(diǎn)類型（目標(biāo)/控制）及其他參數(shù)配置（執(zhí)行RF4CE_NWK_SetNodeCapabilities.Request命令）、啟動網(wǎng)絡(luò)層和該配置節(jié)點(diǎn)（執(zhí)行RF4CE_NLME_Start.Request命令）、啟動配對進(jìn)程（執(zhí)行ZRCProfile_PushButtonPairOrig.Request命令）、保存和檢索配對信息、配對成功發(fā)送命令給其他設(shè)備等。

啟動配對進(jìn)程后，一旦控制器設(shè)備啟動，控制器設(shè)備即開始與其他設(shè)備配對。配對進(jìn)程將根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)的功能和支持的配置文件來評估是否可以與目標(biāo)設(shè)備成對。同時系統(tǒng)將保存和檢索配對信息。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)備類型或用戶字符串等。一旦配對，可能會發(fā)送命令給目標(biāo)設(shè)備，如果成功，則說明連接已經(jīng)被正確設(shè)置，應(yīng)用程序按預(yù)期的方式工作。如果有任何錯誤，則需要檢查設(shè)備配對表和索引其他的參數(shù)是否正確。針對每一個命令請求，從機(jī)都將生成一個響應(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

針對傳統(tǒng)紅外家電控制不利于家電設(shè)備無線化集中控制的問題，通過對現(xiàn)有家居控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合Zigbee RF4CE無線通訊技術(shù)，設(shè)計了一種基于Zigbee RF4CE的無線智能家居控制系統(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。同時通過對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。整個系統(tǒng)可使用-外部終端（筆記本、智能手機(jī)等）通過網(wǎng)關(guān)控制中心，實(shí)現(xiàn)對家居環(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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董健.物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 耿立立.基于RF4CE規(guī)范的紅外/射頻遙控系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（9）：19-20.

[3] 蔡祥春.飛思卡爾ZigBee-MC13233微控制器的應(yīng)用研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2011.

[4] 廣州周立功單片機(jī)科技有限公司.ZigBee RF4CE棧用戶手冊[R].2013.

[5] Freescale Semiconductor，Inc.Introduction to ZigBee? RF4CE[R]. Ryan Kelly.2009.