基于ANT协议的智能家居无线网络系统设计

安冬辉，史丽军，朱　博，谭天宇

(1.武汉大学　电子信息学院，湖北　武汉　430072；2.北京师范大学附属实验中学，北京 100032；3.湖北工程学院，湖北 孝感 432000)

基于ANT协议的智能家居无线网络系统设计

安冬辉1，史丽军2，朱博3，谭天宇1

(1.武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072；2.北京师范大学附属实验中学，北京 100032；3.湖北工程学院，湖北 孝感 432000)

摘要:分析了智能家居环境中无线通信的特点，从网络自组织性、抗干扰性、稳定性等方面提出了对无线通信协议的要求。根据ANT协议简单高效、组网灵活、易于改进的特点，以ANT协议为基础，结合无线传感器网络技术，设计一种包含智能接入、动态路由、自适应跳频技术的无线网络系统。通过真实场景实验，结果表明该网络系统有效地解决了家居智能接入、家庭网络安全性、稳定性的问题，提高了网络的抗干扰能力，其作为家庭无线网络具有一定的可行性。

关键词:智能家居；ANT；无线传感器网络；动态路由；自适应跳频

1智能家居无线网络

在智能家居的无线网络环境中，通信节点数目多，设备种类不一，节点分布不均匀，网络的覆盖范围大。当节点分布比较集中时，如摆放在客厅中各式各样的家电，无线通信时需要解决信道碰撞、干扰的问题，以及随之带来的丢包重连等状况；分布比较分散时，存在节点与中心网关路由通信不可靠的问题。同时，由于分布不均匀带来的通信网络资源分配问题，同样需要考虑进去。由于智能家居场境的独特性，无线网络解决方案一直是智能家居领域的研究热点。

为与远程服务器通信，实现智能家居的远程监控和管理，在网络中需要设立一个功能强大的网关[1]。家庭网络中，一般用户家庭面积在100m2左右，大户型多为150～300m2甚至更大，家庭通信特别是跨楼层的通信，严重受到家庭布局的影响，要保证整个网络内监测和控制到所有节点，如果单依靠增加发射功率来组建无线网络，显然不切合实际，因此，网络协议需要支持中继、路由的通信方式。日常生活中，用户购买新电器和电器维修时有发生，对于用户来说，将新购买的电器或维修后的电器配置网络参数加入原有网络，绝大多数用户不愿意而且没有能力完成这个任务。所以无线网络需要采用自组织的方式，用户无需关心网络配置，只需通过简易的方式如按键，由网络自动识别新节点和失效节点。无论是星型拓扑还是树形拓扑，家庭网络对系统的鲁棒性要求很高，一两个节点的崩溃，不会影响整个网络。例如，路由节点损坏或离开网络时，必须要有新的路由产生，以免造成通信阻塞、网络瘫痪；在2.4GHzISM频道的设备众多，为防止不法分子利用家庭已有网络做出伤害用户利益的行为，网络通信的数据必须加密，要么硬件加密，要么在软件层实现[2]。同时，2.4GHz频段的设备如WiFi发射功率和带宽较大，网络会受到一定程度的干扰，网络协议需要在当通信环境干扰较大时，采取一定的应对措施，如扩频、跳频等。在智能家居环境中，一些场景如灯光控制、灶具温控等对通信延迟要求比较高。

2ANT协议

ANT协议的工作频段在ISM2.4GHz公共频段，具有1Mbit/s的空中数据速率，支持多频率和高密度网络[3]。ANT协议提供可靠的通信物理层、数据链路层、网络层的处理。ANT协议应用场景包括无线传感器网络、远程控制系统以及智能家居等[4]。

信道和节点是ANT协议中基本概念。节点是组建ANT协议网络的基本单元[5]，分为主节点和从节点两种，根据数据的流向来确定。主节点是通信的发起者，从节点接收数据并回复。ANT协议的配置与使用均基于信道[6]，信道连接主、从节点，完成通信。在ANT协议中，节点间通信采用TDMA机制，一条信道的主节点同时可以成为另外一条信道的从节点[7]。ANT协议支持独立信道和共享信道两种信道类型，独立信道为一对一的双向通信，共享信道支持一对多或者多对一的双向通信。

3基于ANT协议的无线网络

3.1网络拓扑结构

如图1所示，网络中有3种通信节点，中心节点、路由节点、终端节点，由这3种节点组建了串状的智能家居无线网络。路由节点即簇头节点，和邻近区域若干终端节点形成一个簇网络，中心节点与各簇头节点双向通信形成骨干网络，路由节点则作为簇头，负责簇网络内终端节点数据的汇聚、转发。在该网络中，中心节点由独立的硬件设备实现，路由节点和终端节点均为家庭中家居电器的无线通信模块构成。

图1　网络拓扑结构

3.2节点和信道设计

中心节点，即家庭网络的核心节点，主要完成通信数据汇集、转发，骨干网络的通信跳频；管理路由节点的分配、接入、加密认证。中心节点作为家庭网络的网关，与外网服务器通信，为建立家庭智能化大数据平台提供了接入口，同时实现例如用户远程控制等功能。在入网前，路由节点和终端节点均为普通节点，根据智能接入和动态路由算法，选择其中的节点成为路由节点。路由节点负责与中心节点的通信，同时构造并管理簇网络，包括终端节点的动态接入、数据转发、通信跳频。

为避免和解决网络通信时信道冲突的问题，骨干网络通信采用独立信道，信道本身具有TDMA机制，路由节点与终端节点采用共享信道，由路由节点为终端节点分配通信时隙，终端节点只有在对应的通信时隙才能与路由节点通信。路由节点采用共享信道通信，目的在于增强网络的可扩展性和自组织能力。

3.3网络关键技术

3.3.1智能接入

当有普通节点加进来时，中心节点检查是否有空余的独立信道，如果有多余发送入网通知，普通节点收到通知后，发送入网申请连接中心节点入网，成为路由节点；如果独立信道没有空余，中心节点不发送入网通知。普通节点在一定时间内没有收到中心节点通知，搜索附近的路由节点，找到路由节点后，向路由节点申请入网，路由节点将申请上报给中心节点，中心节点验证成功下发入网回复，普通节点成为终端节点。智能接入解决网络自组织性的需求， 用户将家居电器买回家，只需要简易按键操作，即可完成入网。

3.3.2通信加密

普通节点申请入网时，入网申请中包含出厂ID，经中心节点验证通过，发放对称密钥，正式成为路由节点或终端节点。在接下来的通信中，数据通信会被加密，通信双方利用密钥解密，加解密算法在此不做研究。节点没有通过ID验证时，中心节点或路由节点不发送回复，不再接收该节点后续发送的通信数据包。同时，中心节点定期更新密钥，防止加密被破解[8]。通信加密有效地增强了网络的安全性，防止不法分子利用家庭网络非法入侵，破坏产品功能、毁坏家居，影响用户生活。

3.3.3动态路由

无线传感器网络[9]因其自组织性、动态性、可靠性和以数据为中心等特点在智能家居方面的应用研究存在巨大的潜力，利用无线传感器网络技术是目前家庭网络比较主流的解决方案。智能家居网络中，节点应尽量避免以较高的发射功率为代价直接发送数据给汇聚节点，造成电磁干扰，而采用多跳的方式将数据汇集后再发送。LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchyprotocol)作为无线传感器网络分簇路由协议的经典代表，有很高的参考价值[10]。

簇首选择策略、簇的形成和簇的更新是无线传感器网络分簇路由算法考虑和设计的核心问题[11]。与LEACH协议周期性随机选择轮流成为簇头的机制[12-13]不同，智能家居网络节点大部分为有源节点，不必过多考虑能量损耗、网络生存周期的问题，簇头的选择是按需产生[14]，即簇首节点通信未受阻时，并不去更新簇，这样做有效地减少了簇网络更新次数，降低了网络通信资源消耗。

簇头的选择不取决于簇网络本身，而是取决于簇头节点与中心节点信号强度、通信质量，是被动式分簇。当簇头节点与中心节点通信失联时，簇头节点在簇网络内发送簇网络更新通知，簇头和簇内节点进入搜索模式。搜索到中心节点入网通知的节点，向中心节点发送入网申请，中心节点从入网申请的节点中选择信号强度最好的节点发送回复，收到回复的节点成为新的簇头节点，完成簇的更新，其流程如图2所示。

簇网络的更新有两种情况，一种是簇头更新带来的簇更新，另一种是簇网络节点过多，各个簇网络节点分配不均匀时，簇头节点发布簇更新通知，簇中节点会重新决定从属的簇，这样使得各个簇网络节点数动态平衡。路由节点周期统计簇网络终端节点的数目，如果数目过多(通信资源紧张，延迟较高，路由节点负荷重)，在簇网络广播网络更新通知。根据相关文献以及LEACH的实验证明，簇头占节点总数的5%时为最优[15]，也就是说每个簇中非簇头节点(ClusterMember，CM)与簇头节点(ClusterHead，CH)的数目之比不大于19∶1最优。

图2　路由节点动态路由流程图

终端节点[16]连续3次没有收到共享信道中的数据包时，进入搜索状态，搜索中心节点的入网通知，或各个路由节点数据，直到搜索成功为止。终端节点如果收到簇网络负荷大的通知，在空闲时段进入搜索状态，寻找其他网络负荷较小的簇网络加入，如图3所示。

将分层动态路由技术运用到智能家居无线环境中，利用了无线传感器网络多跳自组织的特点，改进了LEACH路由协议簇网络更新机制，其目的在于保证下层节点与上层节点通信出现断开情况时，下层节点能够有效地通过动态路由重新快速回到网络中。

3.3.4自适应跳频

大多数情况下，采用ANT协议的无线通信，由于发射接收ANT数据包的有效时间很短，基本上不会受到干扰。但是如果当前通信频段存在其他发射带宽、功率较大的设备(例如WiFi设备)，占用大量频段资源时，不同设备之间的频率资源冲突、相互干扰的可能性就会大大增加[17]。网络采用频率捷变机制(Frequency

图3　终端节点动态路由流程图

Agility，FA)解决办法，当信道受到外接射频干扰时，通信节点能够自主地切换到其他频点[18]，提高了ANT设备在无线通信环境中的共存能力。

目前主流的跳频方式有计算连续丢包数目和设定RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)干扰阈值两种，本文将这两种方案结合起来使用。通信连续丢包数目最为直接，当丢包超过一定数目时，检测通信频点的RSSI，如果过高则跳频。

保证通信双方完成频率捷变有两种途径，一种是主从双方计算丢包数的粗同步方案，连续丢包超过一定数目则触发跳频动作。依据ANT频率捷变技术文档，从节点连续丢包达到一定数目时，认定当前通信链路受到干扰，其连续丢包的数目C计算公式如下：

当信道周期参数T<32 768时

C=4

(1)

当T≥32 768时

(2)

式中：T为信道周期参数，信道周期为T/32 768s。例如当T=8 192时，信道周期为4Hz时，连续丢包数目C经计算为8，即从节点每0.25s收到一次来自主节点的数据包，当连续丢失8个数据包时，认定当前通信收到干扰。

在主节点端，主节点发送的数据包均为应答数据包，发送数据包没有收到回复，则计算为1次丢包。当成功收到回复时，连续丢包计数器清零。当丢包计数值等于跳频丢包数时，判定当前通信收到干扰，主节点触发调频的下一步动作。计算连续丢包数目C的公式如下

(3)

式中：S为搜索超时时间，当从节点在搜索状态搜索超过S时，关闭搜索信道；T为信道周期参数。例如当搜索超时为24s，T为8 192时，C计算为32，即主节点连续32次未收到回复，则认定与从节点通信收到干扰。一般情况下，主节点的连续丢包数要大于从节点计算的丢包数。这是因为主节点完成一次通信，从发送数据包到收到回复，需要两次无线传输[17]。

另外一种方案是由通信的主节点监测当前通信的RSSI值，如果高于设定的干扰阈值，发送跳频通知，这是无线通信中实现频率捷变FA更为普遍的做法。根据网络信道模型[18]可知

(4)

式中：Pt为发射功率；d为通信距离。在智能家居的环境中，Pt一般设为0dBm，室内情况下d≤8m，RSSI干扰阈值取值在-65dBm左右。检测RSSI值时，测量取10次当前信道的RSSI值，取测量值中3个最大值，计算平均值，如果大于-65dBm时，认定当前信道存在噪声干扰，进行频道切换。这样有效地减少了由于瞬间干扰造成信道切换的次数。

计算双方丢包数的粗同步方法，能够解决信道严重受损，通信从节点不能接收跳频通知的情形。而发送跳频通知的方法则解决了在一对多情形下的，网络多同步跳频问题。综合以上两种方案，接下来介绍本文设计的自适应跳频技术。

当中心节点连续5次发送数据没有回复，认定和路由节点通信收到干扰，检查与其他路由节点的通信情况，以及其他频点的RSSI值。如果与其他节点的通信状态良好(不丢包，RSSI低于设定的阈值)，则说明问题出在路由节点方面，不予处理，继续发送数据，直到8次仍无回复，把信道空出来发送入网通知。如果和其他路由节点的通信质量也不好，同样受到干扰，则获取其他频点的RSSI值。在发送跳频通知后，跳到新的频点。无论中心节点还是路由节点、终端节点，都有相同的3个频点，如图4所示。

图4　中心节点跳频流程图

在路由节点管理的簇网络中，路由节点连续3次发送数据，某个终端节点没有回复，认定该终端节点失联了，检查与其他终端节点的回复情况，如果大部分良好，不予处理，继续发送直到5次没有回复，将该终端节点踢出簇网络，路由节点自适应跳频流程如图5所示。

图5　路由节点跳频流程图

4实验测试

本文使用Nordic北欧半导体公司的NRF24AP2芯片作为射频收发芯片，其芯片内嵌ANT协议栈。采用意法半导体ST公司的STM32F103VET6作为主控芯片，组成通信节点，实验的通信节点如图6所示。

图6　实验节点(照片)

实验场景中有1个中心节点和18个普通节点，按照一定的规则分布在3间房间内如图7所示。

图7　实验测试场景平面图

中心节点与路由节点的通信周期为1s，路由节点与终端节点为2s。经过100次收发数据包测试，由中心节点到路由节点的通信平均延迟在1s左右，丢包率3%；中心节点到终端节点的通信平均延迟在3s左右，丢包率5%，满足智能家居环境的通信要求。

动态路由实验，在一号房间门口设置障碍物，路由节点与中心节点通信受阻，簇网络动态更新，图中的灰色节点成为新的簇头节点，反复实验20次，一号房中的节点都能完成簇网络更新，簇网络更新时间平均在6s左右。即当网络通信受到障碍物干扰，或者节点损坏等情况时，网络能够在6s时间完成自愈，恢复通信。

跳频实验时，使用GNU软件无线电平台模拟射频干扰源，将干扰源放在中心节点附近。初始网络通信频点配置为2.439GHz，当通信受到频带干扰时，中心节点丢包严重，平均在5s左右监测到射频干扰，中心节点发送跳频通知切换到新的频点，路由节点随之切换到对应频点，同步时间差在1s左右，通信从受到射频干扰到回复通信的时间平均在7s左右。

将干扰源放在二号房内，簇网络通信受到射频干扰，簇头与中心节点，簇头与簇内的终端节点均出现了丢包的情况。簇网络节点均进入搜索状态，簇头的重新选择为二号房中灰色节点，通信频率为2.475GHz，耗时平均在6s左右。随后其他节点收到新的簇头节点数据，加入该簇网络，完成簇的更新，从簇网络收到射频干扰到簇网络的更新，30次实验平均时间在8s左右。即当家庭网络受到区域的射频干扰时，该网络协议能够在8s时间完成通信的跳频动作。

5总结

本文从智能家居无线网络环境的特点出发，提出该环境下无线网络技术应该考虑的问题。利用ANT协议易于改进、组网灵活的特点以及无线传感器网络自组织多跳的路由技术，设计了一套适合智能家居的无线网络协议，该网络协议能够有效地解决家庭网络安全性、稳定性、自组织性的问题，同时增强了网络的抗干扰能力、网络自愈能力。最后经过实际测试，证明能够作为家庭网络为智能家居服务，对未来智能家居行业提供了应用参考价值。

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责任编辑：时雯

DesignofsmarthomewirelessnetworksystembasedonANTprotocol

ANDonghui1，SHILijun2，ZHUBo3，TANTianyu1

(1.Electronic Information School， Wuhan University， Wuhan 430072，China；2.The Experimental High School Attached to Beijing Normal University，Beijing 100032，China；3.Hubei Engineering University2，Hubei Xiaogan 432000，China)

Abstract:The demand for wireless communication protocol in smart home environment is analyzed in this paper.Based on the analysis，ANT wireless protocol is simple，efficient，and easy to improve. Combined with the technology of wireless sensor network，a wireless network solution is designed，which comprises intelligent access，dynamic routing，and adaptive frequency agility technologies. The experiment results in actual scene show that， the system has a good performance of anti-interference，and solves the problem of security and robustness in network of smart home. The results prove that the system has reliability，stability and good applications in smart home network.

Key words:smart home；ANT；wireless sensor network；dynamic routing；adaptive frequency agility

中图分类号:TN919

文献标志码:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.009

基金项目：湖北省自然科学基金项目(2015CFC770)

收稿日期：2015-11-06

文献引用格式：安冬辉，史丽军，朱博，等.基于ANT协议的智能家居无线网络系统设计[J].电视技术,2016，40(3)：38-43.

ANDH，SHILJ，ZHUB，etal.DesignofsmarthomewirelessnetworksystembasedonANTprotocol[J].Videoengineering,2016,40(3)：38-43.