智能家居无线网络通讯协议设计

　　摘 要：基于ARM 微控制器技术，提出了智能家居的远程监控系统的有效方法。实际应用中该方法以Web 浏览器作为操作界面，实现远程数据通信监控操作。利用nRF24L01 射频模块为智能家居终端设备构建了无线数据通讯平台，其中nRF24L01 射频模块有32 个字节的数据载荷长度。通过对载荷数据帧格式的定义，完成了无线通讯协议的设计，统一了底层设备的应用程序接口，为智能家居的开发增加了灵活性。该远程监控平台对家居环境及各布控系统进行了有效监控，丰富并扩展了家居智能化的可操作性。

　　“智能家居”（smart home）又称智能住宅，它利用先进的计算机技术、嵌入式系统技术、网络通讯技术与传感器技术等，把家中的各种设备有机的结合起来，优化用户生活方式，方便用户管理设备，并能通过场景设定使多个设备间形成联动。

　　家庭网络的分层结构中，整个系统分成5 层：

　　物理媒体层（Media），底层协议层（Protocol）、应用程序接口层（API）、应用程序层（APP）和最终用户接口层（UI）。其中第一、二层标准已经颁布并在实际中应用；第三层（API）是家庭网络技术发展的关键，是当前业界研究的热点；第四层是应用程序层，是在第三层的基础上由技术人员开发的各种应用程序；第五层是各种用户接口（UI）工具，包括各种遥控装置、应急开关、求助按钮以及其它可视接口设备，对整个系统性能的发挥和使用至关重要。本文主要针对第三、四层结构，设计符合智能家居系统平台的数据通讯协议。

　　1 系统总体方案

　　1.1 总体设计方案

　　图1 中ARM 主控制器作为智能家居远程Web 服务器，通过以太网芯片ENC28J60 接收远程控制数据包，完成数据解析后通过射频模块发送控制命令，延时并接收节点应答数据，将应答数据以json 数据格式（一种数据保存格式）通过网关发送局部更新Web信息，达到监测控制家居环境的效果。

　　图1 智能家居远程监控方案

　　1.2 控制单元

　　控制单元采用ARM 微控制器STM32F103RBT6，Cortex-M3 内核，64 引脚LQFP 封装。具有128K 字节的程序存储空间，20K 字节的RAM，最高工作时钟72MHz，具有丰富的片上资源，有7 通道DMA 控制器，能够支持SPI，USART 等外设。适合低成本，低功耗的嵌入式系统的开发与设计。

　　图2 中，该芯片通过SPI 串口共连3 外设：SD 卡接口、以太网芯片ENC28J60 以及射频模块芯片nRF24l01.ARM 微控制器的PA4-PA7 口分别作为SD卡的片选信号，时钟信号引脚，MISO 和MOSI 口；PB12-PB15 分别作为以太网芯片ENC28J60 的片选信号，时钟信号引脚，MISO 和MOSI 口；PC6 为射频模块RX/TX 模式使能端，PC7 为SPI 使能引脚，PC10-PC12 分别作为射频模块nRF24L01 的MOSI，MISO 和时钟信号引脚，结合MCS-51 单片机的微控制应用能力，设计了一种简单、实用的嵌入式智能家庭网关及终端控制方案。

　　图2 系统控制单元设计。