【導讀】基于ARM微控制器技術，提出了智能家居的遠程監控系統的有效方法。實際應用中該方法以Web瀏覽器作為操作界面，實現遠程數據通信監控操作。利用nRF24L01射頻模塊為智能家居終端設備構建了無線數據通訊平臺，其中nRF24L01射頻模塊有32個字節的數據載荷長度。通過對載荷數據幀格式的定義，完成了無線通訊協議的設計，統一了底層設備的應用程序接口，為智能家居的開發增加了靈活性。該遠程監控平臺對家居環境及各布控系統進行了有效監控，豐富并擴展了家居智能化的可操作性。
“智能家居”（smart home)又稱智能住宅，它利用先進的計算機技術、嵌入式系統技術、網絡通訊技術與傳感器技術等，把家中的各種設備有機的結合起來，優化用戶生活方式，方便用戶管理設備，并能通過場景設定使多個設備間形成聯動。
家庭網絡的分層結構中，整個系統分成5 層：
物理媒體層（Media），底層協議層（Protocol）、應用程序接口層（API）、應用程序層（APP）和最終用戶接口層（UI）。其中第一、二層標準已經頒布并在實際中應用；第三層（API）是家庭網絡技術發展的關鍵，是當前業界研究的熱點；第四層是應用程序層，是在第三層的基礎上由技術人員開發的各種應用程序；第五層是各種用戶接口（UI）工具，包括各種遙控裝置、應急開關、求助按鈕以及其它可視接口設備，對整個系統性能的發揮和使用至關重要。本文主要針對第三、四層結構，設計符合智能家居系統平臺的數據通訊協議。
1 系統總體方案
1.1 總體設計方案
圖1 中ARM 主控制器作為智能家居遠程Web服務器，通過以太網芯片ENC28J60接收遠程控制數據包，完成數據解析后通過射頻模塊發送控制命令，延時并接收節點應答數據，將應答數據以json數據格式（一種數據保存格式）通過網關發送局部更新Web信息，達到監測控制家居環境的效果。
圖1 智能家居遠程監控方案
1.2 控制單元
控制單元采用ARM 微控制器STM32F103RBT6，Cortex-M3 內核，64引腳LQFP封裝。具有128K字節的程序存儲空間，20K字節的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。適合低成本，低功耗的嵌入式系統的開發與設計。
圖2 中，該芯片通過SPI串口共連3外設：SD卡接口、以太網芯片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，結合MCS-51單片機的微控制應用能力，設計了一種簡單、實用的嵌入式智能家庭網關及終端控制方案。
圖2 系統控制單元設計。
接收部分采用無線射頻模塊nRF24l01，該模塊在2.4GHz全球開放ISM頻段使用；最高工作速率2Mbps，高效GFSK調制，抗干擾能力強；共有126個頻道，滿足多點通信和跳頻通信的需要；內置硬件CRC 校錯和點對多點通信地址控制［9］。其中至少兩個模塊組成了通信系統，圖3中，一個作為主控制器數據發送端；其它作為節點設備數據接收端。接收端完成命令數據接收，依據命令內容聯動對應設備；完成命令后節點射頻模塊進入發送狀態，返回當前節點設備狀態。
圖3 無線通信系統。
2 軟件設計
2.1 射頻工作模式選擇
nRF24l01射頻模塊的收發模式有三種：EnhancedShockBurst TM收發模式、ShockBurst TM收發模式和直接收發模式三種。Enhanced ShockBurst TM收發模式由器件EN_AA寄存器配置內容決定。
在Enhanced ShockBurst TM收發模式下，使用片內先入先出堆棧區，數據從微控制器低速送入，高速發射，速率為1Mbps，通過這種節能方式即使使用低速的微控制器也能得到很高的射頻發射速率。并且與射頻協議相關的所有高速信號處理都在片內進行，這樣有三大優點：節能；系統費用低；數據空中停留時間短，抗干擾性高。同時也減小了整個系統的平均工作電流。
2.2 數據發送接收流程
2.2.1 主控制器射流程
本文設計的無線通信系統是在同一信道下，初始狀態下只有一個發射節點，多個接收節點，主控制器射頻流程如圖4.
（1） 等待網絡數據包的到來，nRF24l01射頻模塊啟動發送模式，在配置信道上通過廣播方式發送，延時50ms，保證每個從控制器都能接收數據包。
（2） 數據發送完成后射頻模塊立即配置為接收模式，接收從控制器設備的狀態數據幀，并定時2秒，超時或成功接收從控制器設備應答數據則重新自動配置成發送模式并返回第1步，防止射頻模塊全部進入接收模式出現互鎖“假死”狀態。
（3） 如果成功接收從控制器設備應答數據，射頻模塊進入等待狀態。
2.2.2 從控制器射頻流程
所有接收節點接收該數據包，并對該數據包的驅動接口數據進行解析校對，比如接收地址匹配，命令碼，操作文件？有匹配節點則進入驅動應用程序并執行操作。該射頻模塊多數情況下處于接收模式，具體流程如圖4：
圖4 主控射頻流程
（1） 從控制器節點nRF24l01射頻模塊配置成接收模式，直到接收數據包。
（2） 對數據包的驅動接口部分進行解析，接收地址是否匹配，如不匹配則返回步驟（1），再判斷命令操作碼及文件標志，如出現非法操作碼或文件標志，則返回步驟（1），有對應驅動接口則進入驅動應用程序。
（3） 根據輸入的應用數據（記錄控制數據和記錄數據），操作設備將設備狀態寫入發送數據幀。完成后，射頻模塊配置進入發送模式，將發送數據幀返回主控制器，并延時1秒。
（4） 判斷是還發送成功，失敗則重新進入步驟（1），成功則結束，同樣進入初始化狀態。
圖5 從機節點射頻流程圖。
3 無線通訊協議
智能家終端設備品種繁多，且功能不一，不同設備要進行統一控制，必須對各種設備進行抽象處理，提取它們的共同特征。可以把終端設備抽象成文件，在控制端分配一塊內存描述該設備當前狀態，利用設備控制方法讀取或修改當前狀態，控制方法可分為三類：文件讀取（Read），文件修改（Write），文件控制（Control）。
Read：讀設備文件操作，即對節點設備狀態掃描查詢，程序設計API如下：
void drv_lit_read（rxp_cmdreq req）以上為讀設備API入口，參數req為結構體指針，寫、控制設備操作類似。
Write：寫設備文件操作，即對節點設備狀態修改，程序設計API如下：
void drv_lit_write（rxp_cmdreq req）Control：控制設備文件操作，即對節點設備狀態的調節。程序設計API如下：
void drv_lit_cnt（rxp_cmdreq req）并不是所有的文件都支持這三種控制方法，多數文件只支持前兩種控制方法，下文以燈控設備為例。
3.1 通訊協議
無線射頻模塊nRF24l01對應收發模式的數據有效負載最大為32個字節，該數據包作為一幀數據，其中可分成三類數據：驅動接口數據，記錄控制數據以及記錄數據，輸入幀與輸出幀數據類型相同。數據格式如表1.
表1 幀數據格式
（1）驅動接口數據。
Dest：接收端地址，1字節表示，屬性值從0-255，可以表示256個節點地址，滿足多數智能家居的節點資源。
Src：發送端地址，1字節表示，與Dest 意義相同。
Cmdid：節點命令碼，1字節表示，如上文表示，共有三種類型：0x01，表示讀命令（read）；0x02，表示寫命令（write）；0x03，表示控制命令（control）。
節點即對應從控制器編號。
Fileid：文件標志符，1字節表示，即節點地址上對應的設備號，最大支持0x00-0xFF 256個文件。
（2）記錄控制數據。
Result：操作結果碼，1字節表示，當有數據返回時，要求填寫該字節。0x00，操作成功；0x10，非法節點；0x11，非法文件標識符；0x12，非法初始記錄值；0x13，非法記錄。0xFF，默認無效值。
Start：記錄開始值，1字節表示，當有多條記錄操作時，該值即對應的記錄序。
Len：記錄長度，1字節表示，當作為輸入數據時，表示記錄操作的長度，如果Len值大于當前節點的最大記錄長度，則取當前節點記錄長度最大值；當作為輸出數據時，表示當前節點操作的記錄長度。
（3）記錄數據Records：記錄數據緩沖，緩沖區達25個字節。
該緩沖區可存放多條記錄，記錄格式如表2，每條記錄字節長度不一，一般在3-5個字節左右，最多能存放8條記錄。
表2 記錄數據格式
該Len 值與記錄控制數據中的Len值意義不同，表示該條記錄的字節長度，其中并不包含本身字節長度，1個字節長度；Opt值為保留字節，一般無意義，控制命令與該字節相關，1個字節度；Content為設備文件的記錄值，記錄字節長度不定，一般1-2字節長。
3.2 協議擴展與特點
地址資源，單字節的Dest與Src地址分配對于普通的智能家居用戶完全能滿足要求，對于家居環境復雜，地址分配點較多的用戶，可能會出現資源不夠的情況，該情況可將Dest與Src地址擴展至16位，即2字節。滿足65535個節點要求。
節點命令碼，三種命令類型只占用Cmdid的二位，其余的高六位值保留，以備協議擴展所需。同理。
記錄選項，Opt為保留字節，默認值為0x00，該字節主要針對控制操作，用于記錄控制操作符，如表2說明，主要針對燈控文件的變亮，變暗操作。
該通訊協議的設計主要有以下特點：
（1）統一外設，將外部設備抽象成標準文件，并在控制器內存記錄文件內容，操作指定設備只需訪問該設備映射文件所處內存空間數據即可，規范外設標準，提高通訊效率。
（2）通訊協議的制定極大的優化了主控制器與射頻模塊之間的數據傳輸性能，主控制器只需根據固定的通訊協議格式填充即可，簡化其處理過程。
（3）同樣簡化了從控制節點的數據處理過程。
4 通訊協議實現結果
按照系統功能需求的劃分，可分為智能溫度的控制，智能安防的控制，智能家電的控制，智能照明的控制等。
智能溫度控制：系統實時采集室內的溫度，并能以圖形方式展示給用戶，用戶可以根據需要自行控制室內溫度。
智能安防控制：系統集成防盜、防劫等功能，能夠通過網頁遠程監控家居狀況，并能查詢控制警報器的狀態。
智能照明控制：用戶可以根據需要控制家庭的燈光效果，具有調光功能，不僅能夠滿足用戶的需求，還能達到節能和環保的功能，其記錄數據說明見表3.
表3 燈控記錄數據
記錄數據的首字節Len表示當前記錄字節長度，照明的三種控制方法具體說明如下：
Read：讀當前燈的亮度。
輸入：無。
輸出：Opt保留字節0x00.Value表示當前燈的亮度值（0x00-0x09），值越大，亮度越高，下同。
Write：設置燈的亮度值。
輸入：Opt保留字節0x00.Value 為要設置的亮度值。
輸出：Opt保留字節0x00.Value 表示當前燈的亮度值（0x00-0x09）。
Cnt：調節燈的亮度。
輸入：Opt的最低位為1，表示減少亮度；Opt的最低位為0，表示增加亮度。Value省略無意義。
輸出：Opt為保留字節0x00.Value 表示當前燈的亮度值（0x00-0x09）。
燈控設備支持多條記錄同時讀取與返回，設備的讀操作無記錄輸入，有記錄輸出；寫操作與控制操作有記錄輸入，同時有記錄輸出。假設當前操作節點為0x00，主控節點為0xFF，Value值為0x03.
以燈控控制命令為例：
控制命令（0x03）：假設當前亮度值為0x03，將燈亮度值加1，則輸入數據幀如表4，輸出數據幀如表5.
表4 輸入數據幀
表5 輸出數據幀
輸入數據幀與輸出數據幀進行相互轉換時，發送主體不同，因此發送地址與接收地址對調。由于是控制命令，Cmdid設置為0x03，如果是讀命令或寫命令，則該字節設置為0x01或0x02.由上已知當前操作節點為0x00，即Fileid的設置值。Result表示數據返回結果碼，0x00表示操作成功。在輸入數據幀中無意義。
本例中，只有1個記錄值，因此在數據輸入、輸出幀記錄地址Start從0x00開始，數據幀長度Len為0x01.
讀命令、寫命令數據幀類似，參照控制命令格式。
5 結論
本系統中，以嵌入式Web服務器為架構，實現了對智能家居終端設備的遠程監測與控制，并以nRF24L01射頻模塊32字節的數據幀為基礎，最終完成了針對較低成本智能家居的通訊協議設計。在實際操作過程中，也能夠通過網頁Web的調節控制，最終能夠達到對終端文件設備的控制，實現對燈控設備的開關，調亮，調暗等功能。能在發出命令后1 秒內返回準確數據信息，保證該系統的實時控制，具有較高應用價值。
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