智能家居433 MHz射频通信协议栈设计与网关实现

葛 阳，李大刚

（1.电子科技大学机械电子工程学院 成都 611731；2.电子科技大学中山学院计算机学院 中山 528400）

1 引言

无线通信技术是智能家居研究的热点[1]，当今智能家居主流通信技术有Wi-Fi、ZigBee、蓝牙、433 MHz射频通信等。针对家庭内部网络低成本、近距离、低复杂度等需求，无线通信技术各有优缺点[2]：基于Wi-Fi技术的智能家居产品多用于数据量较大、传输速率较快的消费电子产品中，其功耗大，成本高；ZigBee偏向于工业应用，有功耗低、数据量小、网络容量大的特点，适合智能家居这样的碎片化信息传递；蓝牙成本与功耗介于Wi-Fi与ZigBee之间，适应于短距离的点对点通信，不适合组建庞大的家庭网络。常用的无线通信技术（如Wi-Fi、ZigBee、蓝牙）工作在2.4 GHz频段，日益拥挤的2.4 GHz频段信道之间干扰较大。433 MHz射频通信技术是一种简单而成熟的无线通信技术，其传输距离远、穿墙性强、功耗低、成本低，适用于数据量不是很大、成本敏感的家庭网络[3～5]，其不足之处在于缺乏统一的通信协议规范。

智能家居体系的核心是智能网关，它不仅用于实现各类不同终端设备的集中控制，还起到协议转换作用。本系统智能网关基于μC/OS-II与STM32F407，设计了一套以CC1101通信与组网为目的的433 MHz射频协议栈，智能网关搭载433 MHz射频模块、GSM模块、Wi-Fi模块、以太网模块等，实现了不同方式的集中控制。如图1所示，用户可以用手机或者电脑，通过Wi-Fi、有线等方式登录智能网关嵌入式Web服务器，或通过手机GSM网络发送短信给智能网关，智能网关解析命令后进行协议转换，通过433 MHz射频网络与家电控制终端进行信息交互，达到对家电智能控制的目的。

2 智能家居系统硬件框架

图1 系统框架

系统总体硬件架构如图2所示，智能网关选用STM32F407ZET6，该芯片SRAM高达192 KB，工作主频为168 MHz，具有丰富的外部资源，可以满足设计需求。Wi-Fi模块选用的是基于串口AT命令的HLK-RM04，GSM模块选用SIM900A，可实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。以太网模块选用PHY层芯LAN8720A，通过RMII与STM32F407的以太网MAC层通信。家电端控制节点选择的MCU为STM8S105K4，该8位单片机默认主频2 MHz，满足终端设备数据处理、状态控制等需求。

433 MHz射频模块选用的是CC1101，CC1101是一种低功耗、低成本、传输可靠的无线收发器，工作频段比较灵活，可以设定在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM和SRD频段，空中传输速率可达500 kBaud。CC1101是半双工工作方式，只能通过在协议栈软件上进行时分操作，实现CC1101时分双工，以更大程度地发挥CC1101芯 片 的 性 能[6]。

3 网关软件架构与433MHz射频协议栈设计

3.1 智能网关软件架构

软件是一个系统的灵魂。如图3所示，网关的开发采用分层设计的思想，智能网关按其功能，可划分为上层应用软件层、操作系统接口层、底层驱动层。

图2 系统硬件框架

图3 智能网关软件架构

为了提高智能网关的实时性、可扩展性，选用的RTOS为μC/OS-II，同时移植了小型开源的TCP/IP协议栈LWIP[7]，并基于B/S结构在智能网关内部搭建嵌入式Web服务器。FatFs用于在小型嵌入式系统中实现FAT文件系统，它不依赖任何硬件平台[8]，方便智能网关进行数据存储与文件操作。

应用层中433 MHz射频协议栈是核心部分，它用来实现家庭内部433 MHz射频网络的组建与通信。上层应用层中的嵌入式Web服务器、Wi-Fi、GSM等应用进程提供了用户与智能网关不同的交互方式，底层就是与硬件交互的驱动层，如CC1101底层的数据收发函数，以太网卡通信驱动等。底层驱动程序设计应该做到精简、高效，因为底层驱动的执行效率直接关乎系统的实时性，进而影响整个系统的性能。

3.2 433MHz射频协议栈设计

433 MHz射频协议栈总体架构如图4所示，总体上协议栈分为用户空间与内核空间。

用户空间是具体的应用进程，如嵌入式Web服务器进程、Wi-Fi应用进程、串口应用进程等，由于空间所限没有标明GSM进程。这4个进程处于用户空间，进程优先级相对内核空间进程较低，各应用进程接收来自如Wi-Fi、网页浏览器、串口等消息，进行解析后封装成内核能识别的rf_message消息结构体，通过API函数与内核通信。重要的数据结构，如应用进程RF_PCB链表、终端控制节点PCB链表等，只有内核空间才能访问与修改，用户空间无法触及，应用进程只能通过API函数进入内核，在内核中安全访问，减少用户空间恶意修改内核核心代码造成的损失[9]。这样既保证了协议栈与数据通信的安全性，又简化了应用进程的设计难度，应用进程只需要调用内核API函数即可完成相应的功能。

在用户空间中，应用进程的创建会分配进程控制块，含有进程的相关信息，各个进程控制块组成RF_PCB链表module_pcb_list，记录活动的应用进程。进程控制块记录应用进程运行状态、收发的数据队列、数据帧时间戳等，是各个应用进程的高度抽象。

内核空间重要的是RF核心进程rf_core_thread()，它控制网络层中数据帧的路由，链路层中数据分组的发送接收等功能，向上与应用层的进程完成用户空间与内核空间的信息交换，向下与底层的发送、接收、轮询等进程交互，完成物理层的功能。消息队列rf_core_mbox是核心进程rf_core_thread()与其他进程通信的核心，也是API函数实现的基础，RF核心进程rf_core_thread()在消息队列rf_core_mbox上等待消息到达，该消息结构体中封装了协议帧、控制信息、API函数等，核心进程利用其中的API函数对消息帧进行解析。

图4 433 MHz射频协议栈总体架构

核心进程与底层收发、轮询进程的交互过程类似。RF数据发送进程rf_send_thread()通过消息队列rf_send_mbox接收核心进程的消息，处理过后通过CC1101SendPacket()函数进行物理层数据发送。CC1101的数据接收是通过中断方式，CC1101RecPacket()接收数据分组，接收进程rf_recv_thread()经过处理后上传给核心进程rf_core_thread()。RF轮询进程每隔一定的时间就会给控制节点发送轮询数据帧，控制节点接收到后应答，智能网关通过此方式对节点的存活进行确认。

4 433MHz射频网络整体模型

4.1 网络拓扑与组网过程

基于家庭内部通信与组网的特点，本系统选择树型网络，如图5所示。节点分为3类：智能网关节点、中继节点和控制节点。智能网关节点是整个网络的核心，每个控制节点（如灯光控制节点、空调控制节点等）在上电之后会进行入网操作，向智能网关发送入网请求，智能网关根据请求组建树型网络，协议栈构建与维护控制节点链表。

图5 系统无线网络拓扑

智能网关与节点采用双向通信的方法进行通信。客厅内的节点与智能网关节点距离较近，采用直接通信的方法进行通信。处于其他房间的控制节点，由于传输距离较远，加之中间有墙壁阻挡，需要中继节点参与传输，这就需要一定的路由机制，鉴于低复杂度的目的，这里的路由路线是固定的。智能网关节点与卧室或者厨房内的控制节点通信时，智能网关发送数据分组给目的房间内的中继节点，中继节点接收到数据分组进行解析，转发给目的控制节点，完成一次单向通信。

433 MHz射频网络组建如下：当智能网关上电或者重启之后，网络重新组建，智能网关监听入网帧。控制节点或者中继节点上电后发送入网帧，入网帧包括该节点的ID与位置信息，节点发送入网帧之后等待智能网关的入网答复帧。智能网关收到入网帧之后，进行入网节点信息分析，确定节点在树型网络中的位置，注册终端控制节点结构体，之后给入网节点发送入网答复帧，控制节点接收到入网答复帧之后，分析确认自己所处的树型网络位置，之后进入正常处理流程，否则会休眠一段时间之后继续发送入网帧。

智能网关感应树型网络的动态变化，实时更新树型网络中的节点信息，智能网关每隔一定的时间会发送轮询数据帧，并等待节点的应答，若在一定时间内，控制节点没有应答，则说明该节点出现问题或者位置信息发生变化，网络信号无法覆盖，智能网关删除在活动链表中无应答的节点信息，更新树型网络结构。

4.2 433MHz射频节点模型与通信帧定义

本系统对CC1101节点之间的通信帧进行了详细的设计，如图6所示，节点模型由物理层、链路层、网络层、应用层组成，每一层为上一层提供服务，并使用下一层提供的服务完成相应的功能[10]。

物理层与链路层由CC1101芯片提供，完成节点之间基本的数据帧的发送与接收功能，物理层数据帧发送时，自动生成前导码与同步词汇，实现节点数据帧同步。数据帧在链路层中，收发地址手动添加，接收地址可能是最终要到达的目的地址，也可能是中继地址。当设定CC1101寄存 器PKTCTRL1.append_status值 为1时 （默 认 为1），CC1101芯片在数据发送时会默认追加RSSI与LQI状态值，RSSI是信号强度指示值，从该值可以获取当前信道的信号强度与干扰，LQI是当前接收信号的质量指示。CC1101芯片会自动添加CRC字段，确保除前导码、同步词汇、RSSI、LQI之外的数据的正确性与完整性。

网络层完成树型网络中任意节点与智能网关的数据通信，配合链路层完成路由功能，网络层中数据帧中源地址是数据产生的源节点，目的地址是数据最终要到达的节点。应用层定义了通信帧的具体功能，参数定义了节点的具体动作（如调节空调温度、灯光亮度等），端口号识别用户空间不同的应用进程，实现了节点之间的服务与资源共享。

图6 节点模型与433 MHz射频通信帧定义

5 通信过程实现

本系统选择射频通信工作在433 MHz，该频段不用申请即可以免费使用。CC1101工作在433 MHz频段时，频率波段为400～464 MHz，信道频间（信道带宽）为200 kHz，可用信道达300个。由于树型网络中所有节点都工作在同一信道，并且CC1101芯片是半双工，所以同一信道的通信碰撞是无法避免的，这就需要一定的机制实现冲突退避与数据重发[11]。冲突检测采用CC1101硬件实现，退避与重发在冲突检测基础上，通过协议栈软件实现。

5.1 冲突退避的实现

CC1101数字引脚GDO2用于载波监听时，当所在信道中RSSI值高于设定的阈值时，GDO2引脚输出高电平，也就意味着当前信道正在使用。通过GDO2引脚电平判断信道状态，通过协议栈进而实现冲突退避。

冲突退避实现方式如下。当检测到数据冲突时，则进行一定的时延机制后再次检测，信道空闲则进行发送。在协议栈中，根据节点的地址设置重发间隔，由于各节点的地址不同，数据重发的时刻也不同，则两个节点同时发送数据导致冲突时，重发时刻也不同，重发数据能够成功。同时，设定重发最小时间间隔大于最大数据分组的传输时间，保证重发数据分组与其他节点无重合时间。根据433 MHz射频通信帧的定义，数据分组长度为22 byte，即176 bit，空中传输速率为200 kbit/s时，空中传输时间为880μs，加上CC1101状态机的转换，由接收态RX转换为发射态TX（CC1101中断接收需要使芯片处于RX状态），所需时间约为600μs，则发送一次数据总的时间开销约1.5 ms，即重发最小时间间隔为1.5 ms。如果某一节点的重发时间为Tms，该节点地址为addr，则该节点重发时间间隔为T=addr×1.5。

5.2 数据重发机制

数据重发是在冲突检测与退避的基础上实现。如图7所示，433 MHz射频网络中的数据通信要求可靠性，这就需要节点消息应答，如果智能网关控制信息发送后，在规定的时间中没有收到节点的应答，则消息要进行重发。

协议栈的数据发送rf_send_thread()进程中，在实际发送前，首先进行冲突检测，若信道冲突，则进行冲突退避机制，信道空闲使用CC1101SendPacket()函数进行物理层的消息发送。发送完成后，该进程通过response_mg_sem信号量等待节点应答，协议栈在接收到应答消息后，在中断处理函数中增加信号量，rf_send_thread()进程完成一次数据发送过程，若该进程在100 ms内没有接收到应答消息则再次发送，在规定的次数中没有接收到应答，则通告应用进程消息发送失败，节点无应答。

图7 数据重发流程

5.3 433MHz射频网络工作流程

整个433 MHz射频网络要遵循一定的通信逻辑，如图8所示（为描述方便，省略中继节点转发），主要分为以下4个部分。

·初始化与网络组建：智能网关与智能节点上电后进行初始化工作，智能网关监听入网帧，控制节点入网注册，入网后控制节点进入正常工作流程。

·主动控制：手机或者电脑端发送控制命令，智能网关接收后进行解析，通过433 MHz射频网络发送至相应的控制节点，控制节点执行后反馈。

·控制节点状态上报：控制节点状态改变或者有信息需要主动上报时，智能网关接收上报信息，进行分析与处理，并反馈给用户空间进程。

·智能网关轮询与节点删除：智能网关中轮询进程rf_poll_thread()每隔一定的时间就会发送轮询信息至各个控制节点，控制节点应答，智能网关接收到应答后证明该控制节点工作正常，如果没有接收到应答，则说明该节点出现故障或者主动离开，智能网关更新树型网络结构。

图8 433 MHz射频网络通信流程

6 实验结果

测试表明，射频芯片CC1101输出功率设置为0 dB时，电流消耗为15.9 mA，传输距离为15 m，具有良好的穿透能力。图9为测试结果，当通过浏览器发送客厅灯光亮度1指令给智能网关后，智能网关通过433 MHz射频网络将消息发送至智能调光系统，家电控制终端的状态通过433 MHz射频网络反馈给智能网关，智能网关通过SSI技术在浏览器中显示状态。

图9 实时信息显示

7 结束语

本文设计了一种适合家庭内部网络使用的433 MHz射频通信协议栈，并详细讨论了协议栈的工作原理。在下一步工作中，会继续增加家电控制终端，完善协议栈的设计，提高系统的稳定性。

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