一種由WiFi智能插座構成的智能家居*

肖宛昂,蘇高民,陸廷,石寅1,

(1.中國科學院半導體研究所,北京 100083; 2.靈芯微電子科技(蘇州)有限公司)

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肖宛昂1,2,蘇高民2,陸廷2,石寅1,2

(1.中國科學院半導體研究所,北京 100083; 2.靈芯微電子科技(蘇州)有限公司)

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，分析了WiFi技術在智能家居中的應用優勢。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用。最后敘述了基于WiFi技術的智能家居系統。

智能家居;串口WiFi; WiFi插座

引 言

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境[1]。

最常實現的應用是燈光、熱水器、空調、入侵監測、煙霧報警、視頻監控和窗簾的智能控制。

1 智能家居中的通信技術

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可以分為有線通信技術和無線通信技術。

(1) 有線控制

有線控制的結構為將控制器放置于強電箱內，開關和中控主機分別通過弱電控制線路進行控制。有線控制采用有線通信技術。

有線控制的優點：安全穩定，不受干擾；有線控制的缺點：方案設計要求高，線路架設要求高，后期拓展改動困難。

這種方式在智能家居發展初期使用較多，是從工業控制轉變而來，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實現對設備的控制。無線控制的優點：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

智能家居中的無線通信技術主要有：

① 紅外通信技術；

② 433 MHz等小于1 GHz的射頻技術；

③ 藍牙技術；

④ ZigBee通信技術；

⑤ Z-Wave技術；

⑥ WiFi技術。

每種技術都有其優缺點，但不管采用哪種通信技術，如果要實現對家居設備的遠程控制，設備都需要接入Internet網。而WiFi通信技術是手持終端接入Internet的主流技術，采用WiFi技術之外的其他通信技術的設備要接入Internet都需要家庭網關進行轉換，例如采用ZigBee技術的智能家居系統，需要在家庭網關中增加ZigBee轉WiFi的功能。

WiFi技術在智能家居中的應用的主要優點有：WiFi智能節點可以直接連接無線路由器，從而接入Internet網；不需要家庭網關，節點可以任意擴充；不會破壞現有裝修；智能手機可以進行局域網控制和遠程控制。

當然，WiFi技術相比ZigBee和433 MHz射頻通信技術也有其缺點：功耗偏大、價格偏高。但隨著節能技術的引進和芯片工藝的改進，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的標準配置，基于WiFi技術的智能家居會逐步得到推廣和應用，市場前景廣闊。

下面重點圍繞串口WiFi模塊闡述WiFi在智能家居中的應用。

2 應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網卡，是需要運行在操作系統的基礎上，對主機的硬件資源要求很高，像一般的工業設備和家庭電器設備是不能直接驅動這樣的WiFi網卡的。

串口WiFi模塊，又稱為嵌入式WiFi模塊，是內嵌TCP/IP協議的WiFi模塊。其硬件構成主要是由內嵌的一個單片機和WiFi模塊構成，單片機要實現裸機驅動程序和TCP/IP協議，WiFi模塊則必須完成數據的無線收發。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接口和單片機連接，讓設備輕松接入Internet網絡。

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權的WiFi芯片開發的SWM9001EU串口WiFi模塊[3]，該模塊內部集成了TCP/IP協議棧和WiFi模塊，用戶可以輕松實現串口設備的無線網絡功能，節省開發時間，使產品更快地投入市場，增強競爭力。該模塊可以廣泛應用于油田、礦山、工業、智能家居以及物聯網等領域。模塊的機械尺寸為33 mm×20 mm×4.5 mm。

圖1 SWM9001EU串口WiFi模塊

2.2 SWM9001EU串口WiFi的功能和指標

(1) 基本功能

① 單操作電壓為3.3 V；

② 工作電流<250 mA(節能模式下工作電流<25 mA);

休眠電流<2 mA(Switch off WiFi power)；

③ CPU主頻為120 MHz，內嵌Flash 256 KB，SRAM 96 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，全面降低應用處理器的資源需求；

⑥ 多種配置方式包括模塊內置WEB配置服務器、PC端配置軟件配置或SCI_AT+命令配置及手機配置；

⑦ 串口波特率最大為115 200 bps。

(2) WiFi指標

① WLAN標準為IEEE802.11b/g，2.4 G ISM 頻段；

② 支持Ad-Hoc方式組建無線網絡；

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；

④ WiFi連接斷開后自動恢復；

⑤ 模塊從復位到建立WiFi網絡的時間小于5 s(WEP加密方式)或10 s(WPA加密方式)。

(3) 內置TCP/IP協議

① 支持DNS域名解析服務；

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

③ 支持網絡數據傳輸協議TCP、UDP；

④ 支持TCP服務器模式或者客戶端模式；

⑤ 作為TCP客戶端時，具有TCP斷線自動重連機制，保證數據傳輸鏈路穩定可靠；

⑥ 作為TCP服務器時，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行描述。

3 WiFi插座在智能家居中的應用

3.1 WiFi插座的應用場景和系統構成

這些功能使用WiFi智能插座就可以實現:

① 回家之前先打開空調，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，回家可以即刻喝上新鮮出爐的咖啡。

WiFi插座的優點：費用低廉，不需要家庭網關；安裝簡單，不需要破環現有裝飾；使用方便，可以隨意擴充插座的數量；控制靈活，可以用智能手機進行遠程控制。

圖2是WiFi插座的應用系統構成,包括WiFi插座、無線路由器、遠程服務器、手機控制終端、手機接入網絡和Internet網絡。

圖2 WiFi插座系統構成

結合圖2來看看WiFi插座的工作原理：

① 通過手機端的配置程序,配置模塊要連接的路由器的名稱(SSID)和密鑰；

② 通過手機端的配置程序,配置模塊要連接遠程服務器的IP地址；

③ 配置模塊上電連接遠程服務器；

④ 手機等控制終端連接遠程服務器，下達命令；

⑤ 遠程服務器將用戶指令下發給住宅中的WiFi插座；

⑥ WiFi插座完成相應的通、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成,如圖3所示。

圖3 WiFi插座的構成

串口WiFi模塊根據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。

圖4 WiFi插座的繼電器控制電路

模塊收到合上指令，PC8端口輸出高電平，Q1導通，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技術的智能家居，如果要實現智能家居中的其他功能，實現原理類似。例如，要實現遠程視頻監控，只需將插座改為攝像頭并實現相應的軟件功能即可。

4 基于WiFi技術的智能家居系統

基于WiFi技術的智能家居系統由WiFi智能節點、智能家居網關、無線路由器、遠程服務器、控制終端、3G通信網絡和Internet網絡組成，如圖5所示。

圖5 基于WiFi的智能家居系統

結 語

隨著人們生活質量的提高，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的費用很高，并且對于已經交付使用的住宅來說，改造起來還很麻煩。利用WiFi智能插座，不需要家庭網關，不需要破壞現有裝飾，就可以輕松實現對家用電器的智能化控制,自己動手實現基于WiFi技術的智能家居的構建，體驗科技帶來的便利。

[1] 向忠宏.智能家居[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[2] 中國室內裝飾協會智能化委員會[EB/OL].[2013-11].http://www.cidaic.org/smarthome-product-list.htm.

[3] 靈芯集成.SWM9001EUx Datasheet, 2013.

Xiao Wan’ang1,2, Su Gaomin2, Lu Ting2,Shi Yin1,2

(1.Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China; 2. SmartChip Integration)

The definition of the smart home is presented and the communication methods in the smart home are discussed. Then the advantage of adapting WiFi technology is analyzed. The UART WiFi is described. WiFi plug as an application example of UART WiFi is used in smart home, and discussed in detail. At last, a kind of smart home based on WiFi technology is presented and analyzed.

smart home; UART WiFi; WiFi plug

本文獲“核、高、基項目-2009ZX01031-002-002:用于無線城市中個人移動寬帶信息終端收發及移動電視接收多模多頻射頻芯片”支持。

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迪娜

2013-11-19)