一種由WiFi智能插座構(gòu)成的智能家居

摘要：本文首先敘述了智能家居的基本概念以及分析了智能家居中的通信技術(shù)，分析了WiFi技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用優(yōu)勢。接著討論了串口WiFi的功能，以WiFi插座為例，描述了串口WiFi在智能家居中的具體應(yīng)用。最后敘述了基于WiFi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。

引言

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

最常實現(xiàn)的應(yīng)用是燈光、熱水器、空調(diào)、入侵監(jiān)測、煙霧報警、視頻監(jiān)控和窗簾的智能控制。

1 智能家居中的通信技術(shù)

1.1 有線通信控制和無線通信控制的比較

智能家居中的通信技術(shù)可以分為有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)。

(1)有線控制

有線控制的結(jié)構(gòu)為將控制器放置于強(qiáng)電箱內(nèi)，開關(guān)和中控主機(jī)分別通過弱電控制線路進(jìn)行控制。有線控制采用有線通信技術(shù)。

有線控制的優(yōu)點：安全穩(wěn)定，不受干擾;有線控制的缺點：方案沒計要求高，線路架設(shè)要求高，后期拓展改動困難。這種方式在智能家居發(fā)展初期使用較多，是從工業(yè)控制轉(zhuǎn)變而來，主要適用大面積的商用場所等有專人集中管理的場所，逐漸被無線通信所替代。

(2)無線控制

無線控制采用無線通信技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備的控制。無線控制的優(yōu)點：安裝和布線簡單;無線控制的缺點：抗干擾性相比有線控制要差些，信號覆蓋受建筑物影響。

1.2 智能家居中的無線通信技術(shù)

智能家居中的無線通信技術(shù)主要有：

①紅外通信技術(shù);

②433 MHz等小于1 GHz的射頻技術(shù);

③藍(lán)牙技術(shù);

④ZigBee通信技術(shù);

⑤Z—Wave技術(shù);

⑥WiFi技術(shù)。

每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點，但不管采用哪種通信技術(shù)，如果要實現(xiàn)對家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，設(shè)備都需要接入Internet網(wǎng)。而WiFi通信技術(shù)是手持終端接入Internet的主流技術(shù)，采用WiFi技術(shù)之外的其他通信技術(shù)的設(shè)備要接入Internet都需要家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如采用ZigBee

技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，需要在家庭網(wǎng)關(guān)中增加ZigBee轉(zhuǎn)WiFi的功能。

WiFi技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用的主要優(yōu)點有：WiFi智能節(jié)點可以直接連接無線路由器，從而接入Internet網(wǎng);不需要家庭網(wǎng)關(guān)，節(jié)點可以任意擴(kuò)充;不會破壞現(xiàn)有裝修;智能手機(jī)可以進(jìn)行局域網(wǎng)控制和遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)然，WiFi技術(shù)相比ZigBee和433 MHz射頻通信技術(shù)也有其缺點：功耗偏大、價格偏高。但隨著節(jié)能技術(shù)的引進(jìn)和芯片工藝的改進(jìn)，功耗問題和價格問題已逐步得到解決。鑒于WiFi模塊是筆記本、平板電腦和智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，基于WiFi技術(shù)的智能家居會逐步得到推廣和應(yīng)用，市場前景廣闊。

下面重點圍繞串口WiFi模塊闡述WiFi在智能家居中的應(yīng)用。

2 應(yīng)用于智能家居中的串口WiFi

2.1 串口WiFi概述

電腦上使用的WiFi模塊或是WiFi網(wǎng)卡，是需要運行在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對主機(jī)的硬件資源要求很高，像一般的工業(yè)設(shè)備和家庭電器設(shè)備是不能直接驅(qū)動這樣的WiFi網(wǎng)卡的。

串口WiFi模塊，又稱為嵌入式WiFi模塊，是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的WiFi模塊。其硬件構(gòu)成主要是由內(nèi)嵌的一個單片機(jī)和WiFi模塊構(gòu)成，單片機(jī)要實現(xiàn)裸機(jī)驅(qū)動程序和TCP/IP協(xié)議，WiFi模塊則必須完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。嵌入式WiFi模塊對外提供UART串口或者SPI接口，因而可以通過串口或者SPI接口和單片機(jī)連接，讓設(shè)備輕松接入Internet網(wǎng)絡(luò)。

圖1是靈芯微電子科技(蘇州)有限公司利用公司自主知識產(chǎn)權(quán)的WiFi芯片開發(fā)的SWM9001EU串口WiFi模塊，該模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧和WiFi模塊，用戶可以輕松實現(xiàn)串口設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)功能，節(jié)省開發(fā)時間，使產(chǎn)品更快地投入市場，增強(qiáng)競爭力。該模塊可以廣泛應(yīng)用于油田、礦山、工業(yè)、智能家居以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。模塊的機(jī)械尺寸為33 mm×20 mm×4.5 mm。

2.2 SWM9001EU串口WiFi的功能和指標(biāo)

(1)基本功能

①單操作電壓為3.3 V;

②工作電流<250 mA(節(jié)能模式下工作電流<25 mA);休眠電流<2 mA(Switch off WiFi power);

③CPU主頻為120MHz，內(nèi)嵌Flash 256 KB，SRAM96 KB;

④兩種工作模式為命令控制模式和透明傳輸模式;

⑤完整的WiFi無線通信解決方案，全面降低應(yīng)用處理器的資源需求;

⑥多種配置方式包括模塊內(nèi)置WEB配置服務(wù)器、PC端配置軟件配置或SCI_AT+命令配置及手機(jī)配置;

⑦串口波特率最大為115 200 bps。

(2)WiFi指標(biāo)

①WLAN標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11b/g，2.4 G ISM頻段;

②支持Ad-Hoc方式組建無線網(wǎng)絡(luò);

③支持WEP40和WEP104加密(64/128位)，支持WPA/WPA2 PSK加密，加密算法支持AES和TKIP;

④WiFi連接斷開后自動恢復(fù);

⑤模塊從復(fù)位到建立WiFi網(wǎng)絡(luò)的時間小于5 s(WEP加密方式)或10 s(WPA加密方式)。

(3)內(nèi)置TCP/IP協(xié)議

①支持DNS域名解析服務(wù);

②支持DHCP自動獲取IP地址，Ad-Hoc模式下自動開啟DHCP服務(wù)器功能;

③支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP、UDP;

④支持TCP服務(wù)器模式或者客戶端模式;

⑤作為TCP客戶端時，具有TCP斷線自動重連機(jī)制，保證數(shù)據(jù)傳輸鏈路穩(wěn)定可靠;

⑥作為TCP服務(wù)器時，允許最多8個客戶端的連接;

⑦支持UDP廣播或單播。

下面以WiFi插座作為串口WiFi模塊的一個具體實例進(jìn)行描述。

3 WiFi插座在智能家居中的應(yīng)用

3.1 WiFi插座的應(yīng)用場景和系統(tǒng)構(gòu)成

這些功能使用WiFi智能插座就可以實現(xiàn)：

①回家之前先打開空調(diào)，回到家就可以享受清涼;

②回家之前先打開熱水器，回家就可以洗個熱水澡;

③回家之前先啟動咖啡機(jī)，回家可以即刻喝上新鮮出爐的咖啡。

WiFi插座的優(yōu)點：費用低廉，不需要家庭網(wǎng)關(guān);安裝簡單，不需要破環(huán)現(xiàn)有裝飾;使用方便，可以隨意擴(kuò)充插座的數(shù)量;控制靈活，可以用智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖2是WiFi插座的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成，包括WiFi插座、無線路由器、遠(yuǎn)程服務(wù)器、手機(jī)控制終端、手機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)合圖2來看看WiFi插座的工作原理：

①通過手機(jī)端的配置程序，配置模塊要連接的路由器的名稱(SSID)和密鑰;

②通過手機(jī)端的配置程序，配置模塊要連接遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP地址;

③配置模塊上電連接遠(yuǎn)程服務(wù)器;

④手機(jī)等控制終端連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，下達(dá)命令;

⑤遠(yuǎn)程服務(wù)器將用戶指令下發(fā)給住宅中的WiFi插座;

⑥WiFi插座完成相應(yīng)的通、斷動作。

3.2 WiFi插座的控制原理

WiFi插座由串口WiFi模塊、繼電器控制電路、繼電器和輸出觸點構(gòu)成，如圖3所示。

串口WiFi模塊根據(jù)接收到的控制指令控制繼電器的通斷，控制電路如圖4所示。

模塊收到合上指令，PC8端口輸出高電平，Q1導(dǎo)通，繼電器的線圈有電流流過，繼電器的觸點L_IN和觸點L_OUT吸合，插座供電給負(fù)載;

模塊收到斷開指令，PC8端口輸出低電平，Q1截止，繼電器的線圈沒有電流，繼電器的觸點L_IN和觸點L_OUT斷開，插座斷電。

以上只是以WiFi插座為例，敘述基于WiFi技術(shù)的智能家居，如果要實現(xiàn)智能家居中的其他功能，實現(xiàn)原理類似。例如，要實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，只需將插座改為攝像頭并實現(xiàn)相應(yīng)的軟件功能即可。

4 基于WiFi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

基于WiFi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)由WiFi智能節(jié)點、智能家居網(wǎng)關(guān)、無線路由器、遠(yuǎn)程服務(wù)器、控制終端、3G通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)組成，如圖5所示。

結(jié)語

隨著人們生活質(zhì)量的提高，智能家居的概念會越來越深入人心，而采用全套的智能家居系統(tǒng)的費用很高，并且對于已經(jīng)交付使用的住宅來說，改造起來還很麻煩。利用WiFi智能插座，不需要家庭網(wǎng)關(guān)，不需要破壞現(xiàn)有裝飾，就可以輕松實現(xiàn)對家用電器的智能化控制，自己動手實現(xiàn)基于WiFi技術(shù)的智能家居的構(gòu)建，體驗科技帶來的便利。