李争祥 宗海舟 占建龙

（通标标准技术服务有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

0 引言

随着无线传感网络的发展，基于物物相联的物联网（Internet of Things,IOT）引起了国内外研究人员的广泛关注。物联网发展迅速，智能家居是物联网发展的重要表现方面，得到了国内外学者的广泛关注。随着物联网理论的深入发展，由于物联网具有成本低、速度快、安装方便、维护方便等特点，在家庭智能家居中占有重要优势。无线网络非常灵活，且安装方便、容易排线布局，非常适合在家庭网络中使用。可以预计，无线传感技术会进一步智能化，在家庭无线网络中能够快速发展[1]。基于家庭的物联网无线通信技术本质上还是无线传感网，现实场景中的应用主要包括组网模式、访问控制、路由数据转发及跨层实际等核心技术，除了这些无线传感网络的共性理论和技术之外，家庭物联网无线通信系统还具有自身的特点，如低功耗、可靠传输、实时通信、可扩展的无线测控网络系统等[2]。随着物联网的快速发展，环境数据的泛在化能够被物联网全面感知，物联网技术可以在网络上进行数据集成和设备管理。物联网家居系统能够对环境进行评估，跟踪家居环境中的各个家电位置，对家居中的家电进行实时监控。由于物联网技术具有自组织、技术实现方便、部署灵活等优点，为家庭居住者提供更加智能、便利、安全的生活环境。

1 家庭物联网关键技术研究

在家庭物联网中无线网络具有传统传感器网络的典型特征，比如自组织、多跳、低功耗等，而且由于家庭中存在着各种遮挡，这种遮挡会使网络出现数据传输冲突、干扰等问题。该文根据传统的传感网络技术理论，分析在物联网、智能家居环境下对无线通信网络的要求，对智能家居无线通信系统的原理框图进行研究，搭建框图如图1所示。研究智能家居无线通信系统的目的主要是在家庭物联网环境下搭建网络框架，在网络建构过程中主要研究信道分配技术及信号可靠性传输。该文研究了一套面向应用和家庭物联网的无线通信系统，其关键技术包括信道分配技术、多跳路由传输技术、介质访问控制技术等。

图1 家庭物联网功能框图

1.1 信道分配技术

每个无线信道的数据质量由信道探测决定，信道探测后将结果输入信道模型进行分析。满足正常组网的数据传输网络要求，在选择信道时从现有信道地址中选择最佳的无线信道地址。网络通信时，判断当前使用的通道是否因异常干扰而被频繁使用。如果干扰影响通信系统的正常通信，把现有信道从可通信信道中移除，重新选择最佳质量信道作为现有网络使用的通信信道。该过程可以保证无线通信网络的可靠性传输。基于IEEE802.15.4 通信协议，该研究选取2.4G 通信频段，2.4G 是全球免费ISM 频率，在家庭环境中抗衰减能力强。

1.2 多跳路由传输技术

当前的物联网系统通信数据是样本中定期生成并由每个传感器连接器上报的传感器信息。由于终端用户能够更加仔细地观察数据连接，因此发送到网关的数据必须可靠，并且上述过程必须以较低的开销完成该过程[2]。为此，路由技术必须考虑许多问题，例如在内部质量检测技术和替代技术之间切换。为了管理上述成本，该研究采用了不同的多径选路方法，如图 2 所示。路由技术由许多模块组成，如链接评估、数据检索、路由表和选路模块。其中，链路评估模块用于计算与相邻区域的连通性水平。出于不同的目的，它目前主要按照功能模式分为2 个部分：稳定性评估和灵敏性评估。稳定性估计用于维持通过网络传输数据的常规方法，而灵敏性估计用于提供实时数据。控制模块接受多通道管理算法，使用每种方法以不同方式向其他节点发送消息。如果由于故障或连接级别降低导致路径丢失，需要立即切换到另一个路径以便继续跟踪系统的实时数据。

图2 路由技术原理图

1.3 基于混合式介质访问控制技术

介质访问控制技术的目的是为了解决同一信道存在网络竞争的问题。目前，主要有2 种方法来解决网络中的信道竞争问题:基于载波侦听的CSMA 和基于时分多址的TDMA。分析2 种不同的介质访问控制技术，对比其优缺点，该文采用CSMA 和TDMA 结合的混合组合方式，充分利用载波侦听可扩展的优点和时分多址的无冲突特征，这样可以提高家居物联网无线通信系统的可靠性传输和实时性传输。对于无线休眠设备，唤醒之前在TDMA 工作时隙开始时重新启动正常操作。物联网设备发送数据，信道第一步是进行CSMA 载波侦听，假设侦听到信道空闲，开始发送数据，反之将数据随机退回到某一空闲时隙并重新进行CSMA 等待数据的下一步发送。在家庭的家居物联网通信环境下，不同家电的通信采用时分多址访问控制技术，可以做到不同的设备之间不会存在互相干扰的现象，但是同一类别的无线设备可能会一直随机退回，所以总体上避免了信道之间的冲突。当回退成功时，网络会记载该过程中的回退次数，以便为下次遇到网络竞争时能够为随机回退提供参考[3]。

2 家庭物联网无线通信系统硬件设计

家庭物联网中无线通信模块的设计属于硬件设计。在硬件平台的选购中，需要结合智能家居的特殊控制需求，在满足这些需求的基础之上，选择性价比较高的平台设备，比如市场中有价格优势而且市场占有率也较高的设备。通过调查研究，在民用市场中飞思卡尔mcl3213 芯片相比较于NEC、微芯等公司的芯片性价比较高，因此选用该品牌作为硬件平台。

MCl3213 的技术参数：低功耗处理器40MHzHCS08；60KBFLASH，4KBRAM，支持省电模式；8-10bit8 通道ADC 地址；支持802.15.4 标准接收器的双通道串行数据输入，在QPSK 调制模式下可支持高达250kbps 的传输速度等。

2.1 硬件概述

硬件设计主要考虑了外围的功能模型和无线射频频段的模型。在功能设计上，系统的主要对外接口有1 个串行接口、1 个无线接口以及许多通用的外部I/O 接口。

常见模块比如SCSC-Nopa，包括陶瓷贴片天线。该模块放大器增加了功率。

主要功能如下：1）用户参数配置，用户可以通过芯片软件和端口软件配置物理地址和远程地址、设备配置类型、发射功率、网络ID 等多种设备参数。2） 采用 ISM 频段，SCSC 模块的频率使用的2.4 GHz 频段。3）SCSC-Nopa最大的特色就是能够对网络进行自组织修复，使用SCSCNopa 能够自动检测网络节点，不需要任何外在的干预，能够自行对网络进行维护和修复，从而达到稳定通信网络的目的。当在无线通信中对网络节点进行添加删除移动等操作，网络依然能够借助SCSC-Nopa 模块继续工作，从而不会影响整个无线通信系统的工作，保证可家居物联网环境下各个家电智能设备的正常运行。4）网络容量大。SCSC系列模块目前支持的最大路由区域为5 级，具有路由功能的区域允许多达20 个节点。5） SCSC 系列模块的低功耗设计可适用于智能家居环境。

2.2 省电模式

Zigbee 协议定义了3 种类型的节点，每个类型是不同的配置模式：配置区决定了网络配置。Zigbee 网络上只有一个 Zigbee 协调器。 Zigbee 路由可以实现数据传输。Zigbee网络支持路由器节点和网络节点。Zigbee 端点对内存大小和速度性能的要求较低。所有设备都可以与操作系统的组件完全通信。配置区、路由器节点和子节点都可以是全功能区，但半功能区只能是子节点。全功能区与其他全功能区和半功能区进行组合，可以进行正常通信[4]。家庭物联网中，根据智能家居要求的功能特点，要求该系统的低功耗节点是子节点。该子节点可以通过定时和外部中断进行唤醒。

3 家庭物联网无线通信系统软件设计

Zigbee 网络协议由 Zigbee 联盟制定，根据标准协议IEEE802.15.4 指定了Zigbee 的物理层和链路层。它有如下特征：1）低数据传输速度。对于大多数低数据传输请求，速率只有10kps～250kps。 2）低功耗。根据低功耗，2 节固态电池可使用8～36 个月，而且可在任何使用电池的情况下使用。这一特点是Zigbee 的独有优势[4]。3）成本低。交付率低，通信系统简单易实现，软件设计简单，成本可控。而且不收取专利费用。4） 最大网络容量。最多可支持6500 个节点。5）短延迟。平均延迟在15ms～30ms。6） 安全性。芯片自带AES-128 加密算法。7） 有效路径少。最小覆盖范围在 10m～75m。对于特殊应用，可根据当前要求调整传输容量（功放最大通信距离可增加到1000m 以上），满足普通家庭和办公室的需求。8）工作频段设置方便。无线通信系统系统主要有主机节点和外围控制区。高级控制模块可以完成发送和接收网络配置和信息管理，控制工具专门用于控制各个受控端的观看信息。创建管理信息以创建有效的家庭管理。这种通信协议的网络维护方法简单易用，网络安全和传输非常容易，并且能够保证网络数据的可靠性传输。

3.1 工作流程

3.1.1 一级入网过程

将Zigbee 协调器打开之后，把用户设备的登录信息上传到无线通信系统中。此时网络的外围节点能够监听广播信息，根据广播信息来判断网络与该机网络的标签是否一致。经过对比分析，如果监听到信号强度高于设置好的门限值，则分配网络地址发送入网成功报文和网络地址与目的地址的对应表[5]。同时表明设备成功访问网络，此时成功访问网络包括设备的网络地址，网络接收到该命令才表明设备访问成功。反之，入网失败。

3.1.2 二级入网过程

一级路由节点成功入网后，会定期发布周期性的广播入网信息。连接到网络的外围连接不侦听传输的信息并指示网络标识是否相同。判断相同，即接收到的设备信号强度大于预设门限值，网络就会将一级路由节点发送命令进入网络。管理层首先指挥网络进入应用程序，并判断网络本身是否被标记。如果信号强度相同，则确定信号强度是否大于预期。如果比预期长，网络就会重新指派新的访问地址，发送输入指令，并保存与网络地址和物理地址对应的关系表。如果小于该值，则发送失败的网络输入命令。一旦提交时间结束，访问成功的设备会把相应的网络地址和物理地址发送给Zigbee 协调器，设备的位置信息也包含在其中。网络对各个设备的位置分配不同的网络地址，主要是根据节点类型进行匹配的，节点类型主要包括路由节点和叶子节点[6]。进入三级网络和三级节点的过程与进入二级局域网的过程相似。

3.1.3 网络维护

一旦子节点插入到网络，它总是会向网络中的父节点发送该设备的网络存储信息。对网络进行维护时，会自动发送传感器信息和子节点位置信息。 当父节点收到这些网络维护信息时，自动收集网络维护信息并上传给Zigbee 协调器。如果父节点在连续4 个周期内没有收到子节点的网络维护信息，需要判断该子节点是否从网络中掉线。

3.2 程序流程

操作系统使用多个线程并使用事件触发机制来实现性能。设置类型：协调器节点、路由器节点和终端节点。不同的初始化方式有不同类型的选项。节点信息的初始化包括本地地址、网络地址、网络ID、定时发送网络信息的时间、时间分配、传输功率等。开始时间包括CSMA 过期时间、网络广播时间、预发布时间、端口时钟时间、同步时间等。接收到beacon 处理：在网络访问为空时设置，在网络连接结束时执行同步功能，网络连接兼容，网络连接不活动且连续信号强度大于预期。对接收到的数据进行排序：接收到的信息会有缓冲区分组，用于同时接收多个数据集，分别对缓冲区信息进行处理。使用不同的命令数据方法和数据帧，执行另一个过程来建立网络安全信息。数据传输：一旦发送的数据被打包成标准格式，就会触发数据传输功能。串口信号配置：如果要处理串口数据，会根据不同的串口信息进行额外处理。配置信息用于修改主要配置信息，例如设备的物理地址、网络信号、传输功率等其他信息。按键系统：根据各自的功能使用不同的按键。

3.3 数据帧结构

通信系统软件可以通过串口调整配置模块的设置。在网络接入管理中，节点具有本地和远程配置切换功能，可以请求远程节点状态并控制信息的发送和接收。2 个节点都可以使用。通过对设备的配置来执行其安装工作。该数据系统可以进行节点和非节点之间的数据交互，可以通过串口和超级终端命令设置模块参数。无线模块根据操作模式分为非正常通信模式和正常通信模式。安装高配置引脚或浏览器是通信的正常状态。如果不加以管理，可能为非正常通信状态。

该系统软件设计使用Zigbee 串口命令集，集成了帧格式，包括帧头、数据帧、位视图3 个区域。帧头为单字节，固定格式为 0xaa。 全局帧数据是可变的，最大254 字节。校验位为单字节，接受特殊的OR 异或方法，即利用异或方法找到结构或所有帧格式数据。列出特定帧格式的活动数据，包括3 个类别，即命令、长度和相关数据。对于用户要执行的命令来说，高字节必须读写，低字节代表命令。

4 结语

该文完成了家庭物联网关键技术的研究工作，重点针对现有家庭物联网环境中无线传感器网络在当前应用中存在的不足进行研究和改进，比如没有实时监控到外围节点是否始终在网、外围节点维护不便等问题。该文仅对家庭物联网智能家居的无线通信系统做初步探讨。随着传感器技术、微电子技术、通信与网络技术、软件与信息处理技术的飞速发展，物联网技术将不断发展壮大，并得到越来越多的应用。智能家居在物联网中得到广泛应用，应用前景广阔。