基于ANDS协议的物联网模组在智能家居上的应用

邓海涛 徐基巍

（1.青岛澳柯玛生活电器有限公司 青岛 266500； 2.青岛澳柯玛智能家居有限公司 青岛 266500）

引言

上个世纪90年代，比尔盖茨最先提出物联网的概念，随着智能科技不断进步和经济的高速发展，IOT 物联网技术逐渐影响到各行各业，与我们的生活息息相关，而智能家居便是以家庭环境为基础的物联网技术应用领域。智能家居是以住宅为主体，基于IOT 物联网、数据云服务、AI人工智能等技术，使家居设备具有集中管理、远程控制，实现互联互通、自主学习等功能，广泛应用于智慧家电、环境管理、安防报警、信息交流、影音娱乐、远程抄表等方面，与家居生活有机结合，创造便捷、舒适、健康、安全、环保的家庭人居环境。

本文主要是研究一种基于ANDS 协议的物联网模组在智能家居产品上的应用，综合WIFI、Mesh、2.4 G 频段等核心模组自主研发，将产品通过接入数据云端对接，由终端直接控制或家庭网关语音控制等方式进行互联互通，实现对智慧家电、智能安防、智能健康、智能场景等系统的控制。

1 智能家居产业现状研究

1.1 智能家居行业的发展

关于智能家居发展阶段的认知，智能家居设备发展从智能单品阶段起步，是将设备通过感知技术接收信号并做出反应，如Bluetooth、红外等控制技术，从而实现较为简单的智能化控制，增加用户使用便捷性。但由于技术协议无法统一，各单品间孤立分散，功能不突出，使用体验较差。随着单品智能化程度的提高以及不同通信协议的互通，以场景为中心的全套智能家居解决方案开始逐渐兴起，发展由智能网关为中心的智能化产品，正式进入智能互联阶段，如ZIGBEE、WIFI 等技术[1]。物联网技术通过远程手机控制，实现各智能设备间互联互通，根据不同场景同步转变状态，保持家居设备与住宅环境的协调一致，并通过组合构建全屋智能。未来发展阶段将以用户为中心建立在个人数据分析、行为习惯理解、自主深度学习等基础上，实现自动传导和数据分析，一切围绕以人的需求，借助大数据、人工智能、机器学习等技术，智能家居设备构建用户画像、理解用户行为提供准时化、个性化、智慧化的服务。

1.2 智能家居产品技术现状

智能家居产品技术依托于物联网、云计算、大数据和人工智能等关键技术，这在一定程度上也促进了家电产品智能化设备的开发进程，目前市场上多数智能家居产品仍以单品智能的形式存在，这种单品联网家电在智能家居系统应用场景和系统升级更新后，难以实现互联互通，给消费者的使用体验大打折扣[2]。一些家电巨头企业则着力打造自有的产品生态物联网平台，在其平台上实现多个产品品类开展纵向合作，毕竟消费者愿意从同一个品牌选择智能家居产品；也有一些互联网公司，依据自己的系统软件开发优势，以参股不控股的方式投资专注于智能硬件细分领域的初创公司和家电公司，通过一系列模组与设备的相互融合，实现不同家电家居产品的互联互通，如小米的ZIGBEE 协议模块、京东的WIFI 协议模块等。另外，市面上还有一种采用基于窄带物联网技术的NB-IoT 模块和云服务器，设计出了一套从底层硬件到上层云平台的控制系统设计方案，这种方案具有覆盖率高、功耗低等特点。采用NB-IoT 无线通信技术，支持多样化终端设备接入，基于统一规约和接口，实现不同类型终端设备的统一接入和管理，确保互联互通[3]。但这种连接方式也存在一定的缺陷，比如基于低功耗，导致其只能传输少了数据交互，除通信模块的价格之外，运营商还将收取运营费用，这样使得用户的使用成本增加。

2 基于ANDS 协议的物联网设计方案

2.1 技术设计架构

应用物联网技术，是用于能够通过一台终端或一个语音中控，去控制家中多个智能家居设备，是智能家居发展的方向。但现阶段普遍存在的一个问题是这些不同品牌的产品之间存在互联互通的壁垒。市场上的智能家居设备大都采用植入模组的方式，建立网关模块，手机终端通过网关控制终端设备进行信息交互，利用特定的通讯协议完成网关与终端设备的无线通信功能，如ZIGBEE 无线通讯技术。这种无线通讯连接必须建立在有芯片模组植入的前提下，才能实现其物联功能；若遇到无法植入或者对现有的遥控类家电进行远程控制，就难以实现产品的互联互通，手机终端设备无法控制智能家电设备。

基于ANDS 协议的物联网设计是采用多种通讯协议集成的方式，集合WIFI、Mesh、2.4 G 频段、433、红外学习和码库调用等多协议通讯，通过一台离在线一体语音主机承载，既可以作为网关中控，也可以进行语音交互，实现终端的远程操控。项目优势在于基于自有物联网ANDS 通讯协议，在通讯芯片的选择上，采用多重组网结构，进行中控、终端双层算法的优化，利用了传统局域网的稳定，又可以充分发挥基于ANDS 物联网协议的灵活、快捷。这种协议高效稳定，是构建全场景智能家居体系的重要基础（如图1）。

图1 ANDS 协议的物联网设计框架

ANDS 设计一大核心特点是在这个网关设备上增加红外学习功能，主要是采用波形拷贝的方式，学习带有遥控装置的家居设备，如电视、空调、电风扇、扫地机等。在控制APP 上设计出不同的家用电器分配功能界面，来控制不同的电器，从而进行相应的操作。这种带有学习型红外遥控器能够提供存储遥控按键数据的存储方法，当进入学习状态时，能够接受家电遥控器上的按键键码，分析按键键码里的引导码、系统码以及功能码，如果记录成功，便可进行功能控制。引入网状节点间控制算法，从各节点的传输速度、网络传输情况等方面综合考量，提升节点之间的传输能力，使得节点之间可以互补性工作，使得个别主机的故障对全网络不产生影响，极大提升了工程的可靠性。

2.2 软件系统设计

ANDS 物联网的协议优势，多节点互联网云端传输，避免信道堵塞，节点网状动态分配，连接稳定，资源分配高效，系统可靠性增强，节点多跳连接，可覆盖大面积信号（如图2）。在网关与终端动态分配指令，自动选择最佳传输路径，网关与终端一层扁平短链传输，信息高效及时，有效避免延迟与卡死，离在线一体，保证断网仍可正常使用，闲置资源静默，保证功耗可控，预留更多功能接口，适合工程定制开发。

图2 ANDS 软件系统设计

2.3 硬件模组开发

智能家居系统由人机交互系统、智能网关、智能安防模块、智能家电模块、多媒体智能娱乐模块组成，通过人机交互系统、传感器模块与智能网关通讯，智能网关控制各个智能模块运行[4]。ANDS 协议的物联网模组采用2.4 G 频段的通讯模组，其带有MCU、PA 芯片，与其他无线通讯模块通过2.4 G 无线通讯。以ZL02-6000-SV17PA 中继模块为例，中继模块不含PCB 天线（如图3），模块工作于2.4 G ISM 频段，最大发射功率+17 dBm，开阔地无干扰通讯距离可达50 m 以上，能够自组网，可覆盖绝大部分家庭户型，详见具体技术参数（如图4）。

图3 ZL02-6000-SV17PA 中继模块外形

图4 ZL02-6000-SV17PA 模块技术参数

中继模块的连接设计方案以及注意说明如表1。

表1 中继模块的连接设计表

模组在进行连接时，应注意输入输出串口的连接，串口RXD 和TXD 相对于中控模块而言，所以与主机连接方式交叉连接，即：中控RXD 连主机TXD，中控TXD 连主机RXD。另外在进行模组连接时，应注意以下几点：①TXD/RXD 需要增加上拉10 K 电阻；2（VDD）管脚必须接0.1 uF电容滤波。②若产品的设计空间允许，预留调试接口用于智能模组的调试，采用2.54 mm 的4 pin排针，顺序为VDD-SWCLK-SWDIO-GND；若产品设计空间不允许，留为焊点即可。改模组具有天线焊点，可直接焊接天线，天线焊点中心点距离为4.5 mm。由于模块属于静电敏感器件，在操作时请遵守静电防护规则。

3 结论

随着科技的进步，人机交互、大数据、云计算、物联网技术的发展，使得智能家居的连接方式、家居产品越来越多。本文提出了一种基于自有物联网通讯协议ANDS，综合WIFI、Mesh、2.4 G 频段核心模组自主研发，将产品通过接入云端对接，实现智能家居互联互通。本文核心技术与现有技术比较，创新路径是在自创的理论、模型支撑下的技术实现，为智能家电行业的同类产品的开发和系统设计，提供新的建议和思路。