智能家居无线控制网络的设计与实现

近年来，对家庭无线网络系统的研究也是百花争鸣，如 家庭无线电射频技术（ Home ＲF） ［2］、蓝牙（ Bluetooth） 、 WiFi 和 ZigBee 技术［3 －7］等，但无线网络受带宽限制，需
能的扩充，其增强了媒体访问控制层的功能，并适合中 国无线个域网 （ Chinese wireless personal area network， CWPAN） ，可应用于过程自动化、工厂自动化、智能家
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智能家居无线控制网络的设计与实现
Design and Implementation of the Wireless Control Network for Smart Home
李 勇 赵刘阳 王 平 付 蔚
( 重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育点实部重验室，重庆 400065)
Combining with IEEE 802． 15． 4e standard，the wireless self-organizing terminal adaptive network has been designed． In accordance with
different types of the terminal devices，the timing-external interruption sleep mode and the timing-receiving end launching low power
考虑到现场设备 和 环 境 的 复 杂 性 ，若 设 备 因 不 可 抗拒因素掉线，其子 设 备 应 重 新 自 动 寻 找 新 的 父 设 备 加入网络，具体步骤如下： ①终端设备入网成功后，定 时器开启，除非收到父设备信标帧 flag 置 0； 否则周期 性标志位 flag 加 1。②定时 Listentime 到，flag 为 0，发 送数据； 否则执行步骤③，其中 Listentime 不同节点选 取大小不均的随机 等 待 时 间。 ③ 设 备 掉 线，子 设 备 重 新入网，侦听信标帧。④解析信标并选择 LQI 值最大 的设备作为新父设 备 入 网，发 出 连 接 请 求。 ⑤ 一 段 时 间内，收到目的设备 连 接 响 应 ，配 置 链 路，跳 转 执 行 步 骤②； 否则执行步骤 ⑥。⑥ 超时，自己形成一个新的 PAN 网络，发送信标帧。
2 混合型智能家居系统
单一的有线或无线网络技术不能适应现代智能家 居技术的需求，为此设计了混合型智能家居系统，其结 构如图 1 所示。
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图 1 智能家居系统结构 Fig． 1 Structure of smart home system
下文主要阐述的是家庭控制网络部分。 2． 1 家庭控制网络自组网技术
consumption mode are designed． With wireless ＲF chip CC2430 as the kernel，the self-organizing network based on IEEE 802． 15． 4e is built．
Through the upper level interface and intelligent terminal，etc． ，real time environment and sign monitoring for sensor nodes，and the downlink
control are conducted． Thus，the smart home network can be operated stably with low power consumption for satisfying practical demands of
modern smart home． The method possesses certain guiding significance to network design of modern smart home．
本文设计并实现了一种混合型智能家居系统。该
家庭信息化、网 络 化 是 当 今 智 能 家 居 系 统 发 展 的 新 趋 势［1］。如何使系统低成本、低功耗、自组织、高效率地运
系统的家庭数据网络采用 ＲS-485 总线和以太网双绞线 的方式； 家庭控制网络基于 IEEE 802． 15． 4e 无线自组
摘 要： 针对智能家居系统存在布线难、功耗大、后期装修费用高等问题，结合 IEEE 802． 15． 4e 标准设计了一种无线自组织、终端
自 适 应 网 络 。同 时 ，针 对 不 同 类 型 终 端 设 备 ，设 计 了 定 时 -外 部 中 断 休 眠 和 定 时 -接 收 端 发 起 这Βιβλιοθήκη Baidu两 种 低 功 耗 模 式 。 以 无 线 射 频 芯 片
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PＲOCESS AUTOMATION INSTＲUMENTATION Vol. 34 No. 7 July 2013
channel extension，DSME ） 网 络、低 功 耗 （ low energy， LE） 网络。IEEE 802． 15． 4e 采用复合超帧结构［9 － ， 11］ 通过定位时隙，并以 DSME 三次握手机制来进行资源 分配，增强了网络扩展性； 支持信道跳频和信道自适应 两种跳信道模式，增强了在动态信道条件下网络的健 壮性； 低 功 耗 网 络 采 用 协 调 采 样 监 听 （ coordinated sampled listening，CSL ） 和 接 收 发 起 通 信 （ receiver initiated transmission，ＲIT） 技术，并提出了竞争接入时 期（ contention access period，CAP） 关断和组确认机制， 达到了节能的目的。
协调器从网关 UAＲT 接收来自上层对终端节点的 控制指令后，搜索设备表中所有终端节点，找出该设备 当前位于哪一父设备，并将指令以命令帧的形式发送 给该父设备； 目的设备收到指令后转发给终端，终端通 过 CC2430 UAＲT 打印指令控制相应设备。控制指令 结构如图 3 所 示。图 3 中，控 制 指 令 为 协 调 器 通 过 UAＲT 收到的上层指令，命令指令帧为协调器收到控 制指令后发出满足 IEEE 802． 15． 4 帧 格 式 的 命 令 指 令帧。
中图分类号： TP393
文献标志码： A
Abstract： In smart home systems，complex wiring or cabling，large power consumption，and high costs of post-renovation are very common．
行是现代智能家居系统设计过程中所要考虑的重要 织、终端自适应网络，满足现代智能家居系统低成本、高
问题。
效率、低功耗、高灵活性的要求。
智能家居网络早期主要采用有线网络，包括双绞线 以太网、铜介质双绞线、X-10 技术； 后来兴起的无线通信
1 相关技术
技术，解决了早期智能家居布线难、扩展不方便的问题。
IEEE 802． 15． 4e［8］是对 IEEE 802． 15． 4［9］标准功
CC2430 为核心，搭建了一个基于 IEEE 802． 15． 4e 的自组织网络。通过上层界面、智能终端等对传感器节点进行环境、体征的实时
监控及下行控制，使智能家居网络可以稳定、低功耗地运行，从而满足现代智能家居的实际应用需要。该方法对现代智能家居网络
设计具有一定的指导意义。
关键词： 智能家居 自组织 自适应网络 低功耗 ZigBee
图 3 控制指令结构 Fig． 3 Structure of the control instruction
2． 3 家庭网络低功耗机制 在家庭网络中，节点虽然可以直接由电源供电，但 59
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会造成重 新 布 线 难。如 果 在 停 电 或 被 蓄 意 破 坏 情 况 下，节点只能通过备用电池供电，但采用电源供电不仅 会造成重新布线 难，而 且 电 池 能 量 有 限 。 为 了 提 高 网 络的可用寿命，对设备的功耗要求比较高。
要付出高额的通信费用。在现代智能家居系统研究领 居和远程医疗等领域； 物理层和媒体访问控制层的改
进可以支持各种拓扑结构，适合工业控制的星型网和
国家科技部国际科技合作专项基金资助项目( 编号: 2012DFG12240) ; 重庆市科技攻关计划基金资助项目( 编号: 2011AB2096) ; 重庆市载重车智能监控工程技术研究中心基金资助项目 ( 编号: CSTC2011pt-gc4001) 。 修改稿收到日期: 2012 － 10 － 10。 第一作者李勇( 1976 － ) ，男，2006 年毕业于上海交通大学控制理论 与控制工程专业，获博士学位，副教授; 主要从事工业无线网络、无线传 感器网络、复杂系统建模、进化学习算法等方面的研究工作。
协调器 开 启 形 成 一 个 新 的 无 线 个 域 网 （ personal area network，PAN） 后，子设备自适应入网。入网后， 子设备首 先 侦 听 源 设 备 的 信 标 帧，解 析 信 标 帧 内 的 beacon bitmap，并更新自己的 beacon bitmap； 然后选择 信标帧中链路质量（ link quality indication，LQI） 最大的 设备作为父设备，并发出入网请求进行组网。
CC2430 电源管理主要有 4 种模式，如表 1 所示。 其中，PM0 为 最 大 功 率 模 式，PM3 为 完 全 关 闭 模 式。 本文主要采用 PM2 模式，此模式下仅有低频振荡器开 启，节能效果最佳。
表 1 CC2430 电源管理 Tab． 1 CC2430 power management
休眠模式
PM0 PM1 PM2 PM3
供电状态
时钟振荡器开启，稳压器开启 32． 768 kHz 振荡器开启，稳压器开启 32． 768 kHz 振荡器开启，稳压器关闭 所有时钟振荡器和稳压器关闭
当用户需要访问某些数据时，由上层发出数据请 求指令，终端根据以下流程发送数据： ①终端节点入网 成功，进入 PM2 休眠模式； ②定时 5 个周期时间到，终 端节点被唤醒并持 续 一 周 期 活 跃 状 态 ，在 一 周 期 内 侦 听是 否 有 数 据 请 求 帧，有 数 据，则 跳 至 ④； 否 则 继 续 PM2 休眠模式并循环执行②； ③协调器收到上层询问 终端数据指令后，向该终端节点周期性地发送数据请 求帧，直至收到相应数据为止； ④解析数据请求帧，发 出传感器数据，之后进入休眠模式。
Keywords： Smart home Self-organization Adaptive network Low power consumption ZigBee
0 引言
域中，从 软 件 协 议 栈 的 角 度 来 实 现 低 功 耗 的 技 术 比 较少。
随着家电技术的进步和电子信息技术的普及，实现
树型网，同时还支持 mesh 网和自组网。 IEEE 802． 15． 4e 主要从时间同步、时隙跳频、时隙
分配及低功耗等方面对以下 4 种网络进行了规范。这 4 种网络包括： 时隙调频（ time slotted channel hopping， TSCH） 网络、低时延 （ low latency，LL） 网络、确定性同 步 多 信 道 增 强 型 （ deterministic synchronous multi-
动态自组网流程图如图 2 所示。
《自动化仪表》第 34 卷第 7 期 2013 年 7 月
图 2 动态自组网流程图 Fig． 2 Flowchart of the dynamic network
2． 2 家电设备下行控制 设备表的建立过程如下： 终端第一次入网，协调器
将终端地址写入设备表中的父设备下； 若该设备再次 入网，协调器检测该父设备是否在线，若不在线，将设 备表中该父设备及 其 所 有 子 节 点 关 系 删 除 ，重 新 设 置 该设备与新父设备的关系； 否则，删除设备表中该节点 与原父设备关系，并建立与新父设备关系。