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摘要：目前智能家居控制系统中的家电设备大多采用红外信号控制，设备相互之间不能通信，这阻碍了设备的无线化集中控制。针对这种情况，提出一种基于Zigbee RF4CE的智能家居控制系统，具有低功耗、远视距、允许设备间双向交互等优势。系统由RF4CE网络、家庭网关、控制终端三部分组成。RF4CE网络基于MC13233硬件结合RF4CE协议栈实现家电设备无线组网。经验证，该系统可有效实现家电设备的无线集中控制，实现家电和用户的双向交互。
关键词：Zigbee RF4CE；MC13233
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）24-0233-03
Abstract：Home appliances in smart home system mostly adopts the infrared signal control， can’t communication between each other， and is not conducive to wireless centralized control ，so this paper puts forward a kind of control scheme based on Zigbee RF4CE，with low power consumption，far sight and bidirectional interaction.The system is composed of RF4CE network， home gateway and control terminal. The RF4CE network based on MC13233 hardware platform takes advantage of RF4CE protocol stack， realizes the home appliance wireless networking capabilities. It’s been proven that it not only realized the home appliance equipment wireless centralized control， but also realized the bidirectional interaction between the home appliances and the user.
Key words：Zigbee；RF4CE；MC13233
家居设备的无线集中控制是当下智能家居发展的必然趋势。目前，家居设备的控制多以红外遥控为主，但是各种家电的红外遥控编码格式各不相同，互不兼容，用户在使用过程中容易产生混乱。另外，红外遥控具有点对点、靠短距离、小角度传输保证安全、设备之间不能通信等缺点，也不利于设备的无线化集中控制[1]。为解决这些问题，ZigBee联盟和RF4CE（Radio Frequency for Consumer Electronics）联盟联合制定了新一代家居遥控标准Zigbee RF4CE。RF4CE基于IEEE 802.15.4无线网络协议发展而来，旨在为消费产品的远程控制建立一个简单、强大、低成本、低功耗的无线通信标准[2]。本文目的即在设计和实现一种基于Zigbee RF4CE遥控协议的智能家居控制系统。
1 智能家居控制系统结构分析
智能家居控制系统结构主要分为以下几层：
1）第一层为控制终端（包括：Internet及移动终端、计算机终端等）。控制终端可通过有线宽带/GPRS/3G/4G等技术接入Internet。同时整个智能家居网络做为一个局域网连接到Internet。终端用户可通过web网页访问家庭网关内置web服务器，获取存储在家庭网关单元中的家用设备数据。同时可以通过web页面或以短信形式对家中的任意联网设备进行控制。
2）第二层为家庭网关单元，是家庭内外部网络交互的接口，需要支持多种通信方式，使得用户可以通过有线/无线网络或手机短信的方式连接家庭网络，是智能家居系统的核心。
3）第三层为家庭终端控制网络，即家庭内部网络，控制各种家庭终端如电灯、电视、空调、智能插座及采集家庭环境的各类传感器等，负责将分散的终端与家庭网关单元连接起来。一般采用无线个域网（WPAN）模型。该层涉及多种通信方式如红外、蓝牙、WiFi、ZigBee等。本方案家庭内部网络采用基于Zigbee RF4CE协议的无线网络实现。
2 Zigbee RF4CE家庭终端控制网络模型
在ZigBee RF4CE标准中，2个及以上设备以星型拓扑结构组成一个RC（Remote Control）个人局域网（PAN）。然后多个RC PAN就可以形成一个RC网络，允许PAN之间以及PAN内部进行通信。
在RF4CE协议中包含目标节点（Target Node）和控制节点（Controller Node）两种节点类型。目标节点负责建立和维护网络，如网络创建、网络断开、加入网络节点、网络节点退出、转发节点数据等。控制节点负责控制目标节点的终端设备，发送或传递控制消息并对控制消息做出响应[3]。图1为基于ZigBee RF4CE的家庭终端控制网络模型[4]，图中包含了3个PAN网络，分别是TV所在的PAN1、CD所在的PAN2和DVD所在的PAN3，其中，多功能RC作为特殊控制节点可根据信道质量加入合适的网络。
家庭设备具有种类繁多，位置分散等特点，因此为降低组网复杂性，可根据家电类型和安装位置，将家庭内网划分为多个PAN网络。每个PAN网络中有一个负责与家庭网关通信的协调节点。当有新设备入网时，需要预先对设备中的通信节点进行配置，以使其能够加入到合适的网络中。 3 设计方案
3.1 系统分析
智能家居控制系统的核心是家庭网关控制单元和家庭终端控制网络Zigbee RF4CE网络的实现。其中，家庭网关单元，作为内外部网络交互的接口，应支持多种用户交互模式。RF4CE网络则利用安装在电器上的RF4CE无线模块，将家电设备组成网络，定时收集电器的信息发送给网关内置web服务器并响应web服务器下发的用户操作命令。
3.2 家庭网关控制单元设计
家庭网关应至少支持以太网络、GPRS网络和设备操作三种用户交互模式。
综合各方面因素，选用Freescale公司内含快速以太网模块的32位微控制器MCF52233，作为网关控制器的核心。MCF52233内部集成了以太网控制器和以太网物理层收发器，实现以太网的收发功能，同时为了方便网络操作，在控制器内部实现了TCP/IP协议。
为了方便移动终端的控制，选用华为的低功耗GSM/GPRS无线模块EM310模块实现了GPRS通信。EM310模块支持最高下行速率85.6Kbps，最高上行速率42.8Kbps，内嵌TCP/IP协议栈，同时支持基于TCP/IP协议和短信协议通信。本文采用人们比较熟悉的通过短信收发的方式控制家庭设备。启用短信收发需要首先对EM310进行配置，EM310模块通过UART与MC52233相连，使用AT命令进行配置，配置工作包括通用参数配置和消息参数配置等。
网关软件部分实现系统及各个功能模块初始化、串口/网络口接收中断/定时器溢出中断及各种操作命令的转发与解析。为方便操作，将各种通信数据和操作命令封装成变长帧，帧结构包括：帧头、帧序号、节点源与目的地址、主从二级控制命令字、N字节数据、校验与帧尾。
3.3 RF4CE网络设计
Freescale公司的MC13233是支持ZigBee RF4CE的片上系统解决方案，本系统所有的控制节点均基于此。MC13233内含8位HCS08内核CPU，资源丰富，内部集成了IEEE802.15.4标准的工作在2.4GHz频段的物理层收发器，配备专为IEEE802.15.4标准应用提供服务的硬件加速器等。
Freescale开发的ZigBee RF4CE协议栈又名BeeStack Consumer协议栈。为方便开发者配置，Freescale在BeeStack Consumer协议之上创建了一个嵌入式应用程序BeeStack Consumer BlackBox。BlackBox支持通过UART或者IIC接口访问RF4CE网络的所有特性，大大降低了开发难度[5]。但若要将MC13233作为RF4CE节点使用，还需要进行一系列配置，包括：设置MAC地址（执行ZTC-WriteExtAddr.Request命令）、复位网络层并清空配对表中所有配对数据（执行RF4CE_NWK_Reset.Request命令）、节点类型（目标/控制）及其他参数配置（执行RF4CE_NWK_SetNodeCapabilities.Request命令）、启动网络层和该配置节点（执行RF4CE_NLME_Start.Request命令）、启动配对进程（执行ZRCProfile_PushButtonPairOrig.Request命令）、保存和检索配对信息、配对成功发送命令给其他设备等。
启动配对进程后，一旦控制器设备启动，控制器设备即开始与其他设备配对。配对进程将根据每个节点的功能和支持的配置文件来评估是否可以与目标设备成对。同时系统将保存和检索配对信息。虽然RF4CE节点已经保存了一些重要数据如配对表中的网络地址，但这是与这些节点建立通信所需的最低要求。应用程序还可以根据需要保存其他数据，如设备类型或用户字符串等。一旦配对，可能会发送命令给目标设备，如果成功，则说明连接已经被正确设置，应用程序按预期的方式工作。如果有任何错误，则需要检查设备配对表和索引其他的参数是否正确。针对每一个命令请求，从机都将生成一个响应。响应包含了操作状态或重要数据例如配对设备信息等。如何处理响应取决于应用程序。
4 结语
针对传统红外家电控制不利于家电设备无线化集中控制的问题，通过对现有家居控制系统的分析，结合Zigbee RF4CE无线通讯技术，设计了一种基于Zigbee RF4CE的无线智能家居控制系统，并给出了其主控模块家庭网关控制单元和RF4CE组网控制单元的设计与实现。其中，家庭网关控制单元选用Freescale单芯片嵌入式以太网解决方案MCF52233作为主控芯片，实现基于TCP/IP协议栈的嵌入式Web服务器功能，并搭配华为GPRS模块EM310提供了短信控制功能。同时通过对Zigbee RF4CE 协议的研究，选用Freescale 片上系统MC13233作为主控芯片，搭配RF4CE协议栈，实现了家电设备RF4CE组网控制。整个系统可使用-外部终端（笔记本、智能手机等）通过网关控制中心，实现对家居环境中的照明设备、温湿度传感设备、基础家电设备（电视机＼CD＼DVD）的集中控制，达到了预期的效果。
参考文献：
[1] 董健.物联网与短距离无线通信技术[M].北京：电子工业出版社，2012.
[2] 耿立立.基于RF4CE规范的红外/射频遥控系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（9）：19-20.
[3] 蔡祥春.飞思卡尔ZigBee-MC13233微控制器的应用研究[D].苏州：苏州大学计算机科学与技术学院，2011.
[4] 广州周立功单片机科技有限公司.ZigBee RF4CE栈用户手册[R].2013.
[5] Freescale Semiconductor，Inc.Introduction to ZigBee? RF4CE[R]. Ryan Kelly.2009.
关键词：Zigbee RF4CE；MC13233
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）24-0233-03
Abstract：Home appliances in smart home system mostly adopts the infrared signal control， can’t communication between each other， and is not conducive to wireless centralized control ，so this paper puts forward a kind of control scheme based on Zigbee RF4CE，with low power consumption，far sight and bidirectional interaction.The system is composed of RF4CE network， home gateway and control terminal. The RF4CE network based on MC13233 hardware platform takes advantage of RF4CE protocol stack， realizes the home appliance wireless networking capabilities. It’s been proven that it not only realized the home appliance equipment wireless centralized control， but also realized the bidirectional interaction between the home appliances and the user.
Key words：Zigbee；RF4CE；MC13233
家居设备的无线集中控制是当下智能家居发展的必然趋势。目前，家居设备的控制多以红外遥控为主，但是各种家电的红外遥控编码格式各不相同，互不兼容，用户在使用过程中容易产生混乱。另外，红外遥控具有点对点、靠短距离、小角度传输保证安全、设备之间不能通信等缺点，也不利于设备的无线化集中控制[1]。为解决这些问题，ZigBee联盟和RF4CE（Radio Frequency for Consumer Electronics）联盟联合制定了新一代家居遥控标准Zigbee RF4CE。RF4CE基于IEEE 802.15.4无线网络协议发展而来，旨在为消费产品的远程控制建立一个简单、强大、低成本、低功耗的无线通信标准[2]。本文目的即在设计和实现一种基于Zigbee RF4CE遥控协议的智能家居控制系统。
1 智能家居控制系统结构分析
智能家居控制系统结构主要分为以下几层：
1）第一层为控制终端（包括：Internet及移动终端、计算机终端等）。控制终端可通过有线宽带/GPRS/3G/4G等技术接入Internet。同时整个智能家居网络做为一个局域网连接到Internet。终端用户可通过web网页访问家庭网关内置web服务器，获取存储在家庭网关单元中的家用设备数据。同时可以通过web页面或以短信形式对家中的任意联网设备进行控制。
2）第二层为家庭网关单元，是家庭内外部网络交互的接口，需要支持多种通信方式，使得用户可以通过有线/无线网络或手机短信的方式连接家庭网络，是智能家居系统的核心。
3）第三层为家庭终端控制网络，即家庭内部网络，控制各种家庭终端如电灯、电视、空调、智能插座及采集家庭环境的各类传感器等，负责将分散的终端与家庭网关单元连接起来。一般采用无线个域网（WPAN）模型。该层涉及多种通信方式如红外、蓝牙、WiFi、ZigBee等。本方案家庭内部网络采用基于Zigbee RF4CE协议的无线网络实现。
2 Zigbee RF4CE家庭终端控制网络模型
在ZigBee RF4CE标准中，2个及以上设备以星型拓扑结构组成一个RC（Remote Control）个人局域网（PAN）。然后多个RC PAN就可以形成一个RC网络，允许PAN之间以及PAN内部进行通信。
在RF4CE协议中包含目标节点（Target Node）和控制节点（Controller Node）两种节点类型。目标节点负责建立和维护网络，如网络创建、网络断开、加入网络节点、网络节点退出、转发节点数据等。控制节点负责控制目标节点的终端设备，发送或传递控制消息并对控制消息做出响应[3]。图1为基于ZigBee RF4CE的家庭终端控制网络模型[4]，图中包含了3个PAN网络，分别是TV所在的PAN1、CD所在的PAN2和DVD所在的PAN3，其中，多功能RC作为特殊控制节点可根据信道质量加入合适的网络。
家庭设备具有种类繁多，位置分散等特点，因此为降低组网复杂性，可根据家电类型和安装位置，将家庭内网划分为多个PAN网络。每个PAN网络中有一个负责与家庭网关通信的协调节点。当有新设备入网时，需要预先对设备中的通信节点进行配置，以使其能够加入到合适的网络中。 3 设计方案
3.1 系统分析
智能家居控制系统的核心是家庭网关控制单元和家庭终端控制网络Zigbee RF4CE网络的实现。其中，家庭网关单元，作为内外部网络交互的接口，应支持多种用户交互模式。RF4CE网络则利用安装在电器上的RF4CE无线模块，将家电设备组成网络，定时收集电器的信息发送给网关内置web服务器并响应web服务器下发的用户操作命令。
3.2 家庭网关控制单元设计
家庭网关应至少支持以太网络、GPRS网络和设备操作三种用户交互模式。
综合各方面因素，选用Freescale公司内含快速以太网模块的32位微控制器MCF52233，作为网关控制器的核心。MCF52233内部集成了以太网控制器和以太网物理层收发器，实现以太网的收发功能，同时为了方便网络操作，在控制器内部实现了TCP/IP协议。
为了方便移动终端的控制，选用华为的低功耗GSM/GPRS无线模块EM310模块实现了GPRS通信。EM310模块支持最高下行速率85.6Kbps，最高上行速率42.8Kbps，内嵌TCP/IP协议栈，同时支持基于TCP/IP协议和短信协议通信。本文采用人们比较熟悉的通过短信收发的方式控制家庭设备。启用短信收发需要首先对EM310进行配置，EM310模块通过UART与MC52233相连，使用AT命令进行配置，配置工作包括通用参数配置和消息参数配置等。
网关软件部分实现系统及各个功能模块初始化、串口/网络口接收中断/定时器溢出中断及各种操作命令的转发与解析。为方便操作，将各种通信数据和操作命令封装成变长帧，帧结构包括：帧头、帧序号、节点源与目的地址、主从二级控制命令字、N字节数据、校验与帧尾。
3.3 RF4CE网络设计
Freescale公司的MC13233是支持ZigBee RF4CE的片上系统解决方案，本系统所有的控制节点均基于此。MC13233内含8位HCS08内核CPU，资源丰富，内部集成了IEEE802.15.4标准的工作在2.4GHz频段的物理层收发器，配备专为IEEE802.15.4标准应用提供服务的硬件加速器等。
Freescale开发的ZigBee RF4CE协议栈又名BeeStack Consumer协议栈。为方便开发者配置，Freescale在BeeStack Consumer协议之上创建了一个嵌入式应用程序BeeStack Consumer BlackBox。BlackBox支持通过UART或者IIC接口访问RF4CE网络的所有特性，大大降低了开发难度[5]。但若要将MC13233作为RF4CE节点使用，还需要进行一系列配置，包括：设置MAC地址（执行ZTC-WriteExtAddr.Request命令）、复位网络层并清空配对表中所有配对数据（执行RF4CE_NWK_Reset.Request命令）、节点类型（目标/控制）及其他参数配置（执行RF4CE_NWK_SetNodeCapabilities.Request命令）、启动网络层和该配置节点（执行RF4CE_NLME_Start.Request命令）、启动配对进程（执行ZRCProfile_PushButtonPairOrig.Request命令）、保存和检索配对信息、配对成功发送命令给其他设备等。
启动配对进程后，一旦控制器设备启动，控制器设备即开始与其他设备配对。配对进程将根据每个节点的功能和支持的配置文件来评估是否可以与目标设备成对。同时系统将保存和检索配对信息。虽然RF4CE节点已经保存了一些重要数据如配对表中的网络地址，但这是与这些节点建立通信所需的最低要求。应用程序还可以根据需要保存其他数据，如设备类型或用户字符串等。一旦配对，可能会发送命令给目标设备，如果成功，则说明连接已经被正确设置，应用程序按预期的方式工作。如果有任何错误，则需要检查设备配对表和索引其他的参数是否正确。针对每一个命令请求，从机都将生成一个响应。响应包含了操作状态或重要数据例如配对设备信息等。如何处理响应取决于应用程序。
4 结语
针对传统红外家电控制不利于家电设备无线化集中控制的问题，通过对现有家居控制系统的分析，结合Zigbee RF4CE无线通讯技术，设计了一种基于Zigbee RF4CE的无线智能家居控制系统，并给出了其主控模块家庭网关控制单元和RF4CE组网控制单元的设计与实现。其中，家庭网关控制单元选用Freescale单芯片嵌入式以太网解决方案MCF52233作为主控芯片，实现基于TCP/IP协议栈的嵌入式Web服务器功能，并搭配华为GPRS模块EM310提供了短信控制功能。同时通过对Zigbee RF4CE 协议的研究，选用Freescale 片上系统MC13233作为主控芯片，搭配RF4CE协议栈，实现了家电设备RF4CE组网控制。整个系统可使用-外部终端（笔记本、智能手机等）通过网关控制中心，实现对家居环境中的照明设备、温湿度传感设备、基础家电设备（电视机＼CD＼DVD）的集中控制，达到了预期的效果。
参考文献：
[1] 董健.物联网与短距离无线通信技术[M].北京：电子工业出版社，2012.
[2] 耿立立.基于RF4CE规范的红外/射频遥控系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（9）：19-20.
[3] 蔡祥春.飞思卡尔ZigBee-MC13233微控制器的应用研究[D].苏州：苏州大学计算机科学与技术学院，2011.
[4] 广州周立功单片机科技有限公司.ZigBee RF4CE栈用户手册[R].2013.
[5] Freescale Semiconductor，Inc.Introduction to ZigBee? RF4CE[R]. Ryan Kelly.2009.