基于WiFi和電力載波的智能家居控制系統設計

張正華，徐 楊，劉 平，顧 駿，呂東方

基于WiFi和電力載波的智能家居控制系統設計

張正華，徐 楊，劉 平，顧 駿，呂東方

（揚州大學信息工程學院，江蘇揚州225127）

現有的智能家居組網方式中有線組網不易施工、工程量大，而無線組網則有功耗大、輻射大等缺點。針對這一問題，提出了一種基于WiFi和低壓電力載波通信相結合的全新智能家居組網方案。重點闡述了整個家居系統的設計、WiFi與低壓電力載波的融合、電力載波終端模塊及控制終端軟件的設計等。經實際測試，該系統實現了2種通信技術的優勢互補，可以實時監測家電設備的狀態并進行控制，實時性和可靠性高，具有較好的市場前景。

智能家居；PLC；無線局域網；組網方式

引用格式：張正華，徐 楊，劉 平，等.基于WiFi和電力載波的智能家居控制系統設計［J］.無線電工程，2016，46（5）：9-11，44.

0 引言

隨著物聯網［1］以及各種傳感器技術、無線網絡通信技術的不斷發展，人們對衣食住行各個方面的要求逐漸提高，其中“智能家居”的概念已經在近幾年深入人心。

WiKi百科給出了關于“智能家居”［2］的具體化概念：即以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電和設備自動化，集系統、結構、服務和管理為一體的高效、舒適、安全、便利和環保的居住環境。進入21世紀后，隨著技術實現方式的不斷豐富，其發展也趨于多樣化。目前，國內外很多企業和高校都在智能家居領域開展了深入研究與試驗。其中，文獻［3］提出了一種基于GSM短信的智能家居控制系統的設計，這種方式簡單實用并且成本較低，但是功能單一，并且用戶只能通過固定的短信格式來操作，沒有良好的家居體驗；文獻［4］提出了一種利用433無線模塊來搭建家庭內部網絡的設計方案，這種方式使得內部網絡具有了低成本、低功耗和小尺寸封裝等優點，但外部網絡還是利用GSM的局限性沒有得到改變；文獻［5-6］提出了將電力載波（Power Line Communication，PLC）應用于智能家居內部網絡中，并對比了PLC相對于以太網、電話線及無線網絡的優點，但也僅局限于內部網絡，沒有對智能家居的整體結構做出闡述；文獻［7］提出了一種基于ZigBee和PLC的智能家居系統設計方案，這一方法在一定程度上對2種技術實現了優勢互補，也是一種較好的可行方案，但ZigBee技術由于其普及性和WiFi的同頻干擾等問題［8］，在具體進入到家庭的階段會有很大阻礙。介于以往智能家居中組網技術的種種局限性，提出一種基于WiFi和PLC的智能家居組網技術，WiFi有著普及性廣以及得天獨厚的連入因特網的優勢，PLC則有著無需重新布線、對舊家居改造量小的優點，將二者結合，充分發揮二者的優勢，為建設高效、便捷和智能的家居系統提供了一種現實可行的良好方案。

1 智能家居網絡的架構

1.1 WiFi技術及無線模塊WG1300

WiFi又稱無線相容性認證，是一種設備不用通過電線而實現連接的方式［9］。目前已經廣泛應用于家庭、企業及其他公共場所等，其主要原理是利用電磁波來實現不同設備在同一無線網絡間的數據傳輸與共享，常見的發送設備包括天線和路由器，接收設備則包括配有無線接收器的筆記本、平板電腦以及手機等。

目前市面上存在著形形色色滿足不同功能需求的WiFi芯片模組，經過調研和測試了各種WiFi透傳模塊后，本系統最終采用了WG1300-UART-S0型WiFi透傳模塊，這是一款低成本、低功耗的集成一鍵式配置，P2P遠程協議棧的微小體積的串口轉WiFi透傳模塊，其核心芯片為TI司出品的CC3000。其特點是功能強大、配置簡單，可一鍵配置內置的云端P2P，可實現串口和WiFi之間的無縫、透明傳輸。

1.2 PLC技術及載波芯片HT8550

電力線載波［10］是指利用載波方式將模擬或數字信號在現有的電力線中進行高速傳輸的技術，其最大的特點是不需要像其他通信方式一樣重新架設專門的信號傳輸線路。從原理上來說，這是一種只要有電線就能進行數據傳遞的通信方式。因此，在智能家居領域，尤其是對原有家電的改造方面，它有著其他通信方式無可比擬的優勢，即家電設備只要在內部配備電力線載波通信模塊，無需再架設其他的信號通道便可實現改造。然而，電力線的設計初衷是用來傳輸電能，與其他專門的通信信道和傳輸介質相比，其信道環境較為復雜，噪聲干擾較為嚴重，因此采用PLC技術搭建通信網絡時必須建立一個可靠、實時的載波通訊機制。通過查閱大量文獻和試驗可知，在電力載波通信中，信噪比對信號傳輸距離以及傳輸可靠性等因素有很大的影響，而改善信噪比的重點則在于所采用的低壓電力線載波芯片。

HT8550是一種比較出色的、能適合家用電網復雜情況的PLC數據通訊芯片，將模擬電路、數字信號處理器以及8051 MCU完全在單芯片上實現。HT8550采用正交頻分復用（OFDM）調制解調方式、高效可靠的前向糾錯技術以及靈活可配的傳輸模式，使其可以在信號衰減嚴重以及脈沖干擾強烈的電力線環境下實現自適應可靠通信。此外，HT8550與其他電力載波的芯片相比，還有一大優點，傳統的大部分電力載波芯片只能實現信號的傳輸，沒有信號處理功能，而 HT8550在內部集成了 8051內核，因此其可以獨立完成MAC層及以上協議層所需的大部分功能及應用。

1.3 基于WiFi和PLC的組網方式

針對路由器，即WiFi已經廣泛存在于家庭、公司中的情況，提出一種新的智能家居組網方式，即PLC與WiFi相結合的組網方式，設計了AP熱點模塊作為實現無線網絡和電力線相互連通的橋梁。整個通信系統如圖1所示，AP熱點接收來自控制終端（如手機、平板電腦和上位機）的命令并將其下發給指定的PLC終端。PLC終端連接設備，接收來自控制終端的命令從而控制設備，同時也查詢設備的狀態并通過AP熱點反饋給控制終端。

圖1　智能家居網絡架構

2 系統關鍵硬件的設計

2.1 低壓電力載波模塊設計

PLC模塊結構如圖2所示。

圖2　PLC模塊結構

低壓電力載波模塊的主要功能是實現信號的調制解調，既可以將數字信號調制成擴頻載波信號并傳輸到220 V交流電力線上，也可以將從220 V交流電力線上接收到的載波信號解調出來并進行相應的處理，同時配有隔離強弱電、過零檢測、信號放大和信號指示等起輔助功能的電路。PLC模塊組成結構主要包括HT8550載波芯片及其驅動電路、電源電路、選頻濾波電路、信號耦合電路、過零檢測電路、外部晶振電路、紅外收發電路、485/UART轉換電路、功率放大電路、EEROM外部存儲電路和指示燈等。

2.2 AP熱點模塊設計

AP熱點模塊為本系統的中樞部分，其主要結構如圖3所示。主要由WiFi芯片、PLC芯片和相關外圍電路組合而成，可以將WiFi信號轉換為電力線載波信號在室內控制家用電器，完美地實現了電力線載波通信與互聯網之間的互聯互通，解決了異構網絡無法對室內電力線通信控制的難題，讓用戶可以通過終端客戶端方便地將控制信號傳輸到家里的電力線上，進而控制智能家居設備。

圖3　AP熱點模塊

3 系統軟件的設計

3.1 下位機軟件的設計

在下位機系統軟件程序流程中，系統上電后，應用層代碼會先執行 EUI地址分配和獲取，完成后，應用層狀態跳轉到空閑狀態。當控制端請求發送數據到電力線上時，應用層執行步驟：控制端下發命令的解析，應用層數據組幀，發送數據給PHY層或者NET層，設置超時時間，等待數據是否發送成功，如果成功或者超時，則應用層回到空閑狀態。

應用層從電力線接收數據流程：查詢PHY層或者NET層的給出的事件，接收PHY層或者NET層的數據，應用層數據解析，如果下一步操作為上報數據，則上報數據到控制端，應用層狀態跳到空閑狀態。

數據格式的例舉：以控制燈的開關為例，數據發送格式為：控制碼統一為0x01，數據位長度為1。從左往右，第 1位代表控制燈是開還是關，0代表關，1代表開；第2～8位代表燈的序號，例如：000 000 1表示1號燈；000 001 0表示2號燈；000 011 0表示6號燈，以此類推。舉例如下：

控制1號燈開，發送命令：0x68［MAC］0x68 0x01 0x01 0x81 CS 0x16；

控制3號燈關，發送命令：0x68［MAC］0x68 0x01 0x01 0x03 CS 0x16。

3.2 控制終端軟件的設計

控制終端軟件是實現用戶智能控制的工具，處于整個系統體系的最上層，是與用戶直接交互的設備，所以友好的界面設計和方便直觀的操作體驗是本軟件設計的首要原則［11］。根據智能家居系統的功能需求［12］，用戶的體驗習慣等分析，設計了基于Android的控制終端軟件，軟件的主體結構分為賬戶管理、設備模塊管理和AP模塊管理等3個主要功能模塊。終端控制軟件系統的結構用設計如圖4所示。

圖4　控制終端軟件流程

4 測試結果分析

在通信系統的實時性和可靠性方面測試記錄如表1所示。

表1　測試記錄

表1中的數據是對5 m、10 m、20 m、50 m和100 m處的裝有PLC模塊的燈具分別進行100次開關試驗，并通過串口監測燈的響應時間。通過比較不同距離的燈的響應時間，得出結論：本系統可以滿足智能家居系統的通信要求以及一些實時性要求較高的場所。

5 結束語

如果單獨將WiFi或者PLC技術應用于智能家居系統中，其固有的缺點都不能滿足智能家居系統的要求，將2種技術結合成新的智能家居組網方式和系統，就可以實現優勢互補，既可以利用WiFi的普及性廣、低成本和組網靈活等特點，又充分發揮了PLC特有的無需重新布線、改造量小的特點，不僅適用于新家居的建設，同時也適用于對現有住宅的改造，充分體現了智能家居理念中節能減排、以人為本這一宗旨。因此基于WiFi和PLC的智能家居控制系統具有較好的研究價值和市場前景。

［1］ 申 斌，張桂青，汪 明，等.基于物聯網的智能家居設計與實現［J］.自動化與儀表，2013（2）：6-10.

［2］ 童曉渝，房秉毅，張云勇.物聯網智能家居發展分析［J］.移動通信，2010（9）：16-20.

［3］ 潘 朝，羅小巧，黃 佳，等.基于GSM短信的智能家居控制系統的設計［J］.電子測量技術，2013，36（6）：121-124.

［4］ 顏丙洋.基于433 MHz模塊的遠程抄表安全系統設計與實現［D］.濟南：山東師范大學，2014.

［5］ 覃世歡，吳光敏.電力載波在智能家居內部網絡中的應用［J］.微處理機，2012（2）：35-38.

［6］ 郝 婕，李 超.電力載波通訊網絡技術在智能家居系統中的應用［J］.浙江萬里學院學報，2007（3）：71-74.

［7］ 周旭坤，楊冠魯.基于ZigBee和PLC技術的智能家居系統的研究［J］.微型機與應用，2013，32（9）：38-41.

［8］ 周 祥.基于WiFi-PLC的智能家居控制系統的設計與實現［D］.揚州：揚州大學，2014.

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［10］HAN Jin-soo，CHOI Chang-sic，PARK Wan-ki.Smart Home Energy Management System Including Renewable Energy Based on ZigBee and PLC［J］.Consumer Electronics，IEEE Transactions on，2014，60（2）：198-202.

［11］黃 宇.面向智能家居的安卓控制系統設計與實現［D］.武漢：華中科技大學，2013.

［12］吳必造.基于Linux的智能家居控制終端系統的設計與實現［D］.西安：電子科技大學，2013.

Design of Smart Home Control System Based on WiFi and PLC

ZHANG Zheng-hua，XU Yang，LIU Ping，GU Jun，LV Dong-fang
（School of Information Engineering，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127，China）

Among the existing network modes in smart home，wired network is not easy to construct and the workload is heavy，and wireless network has shortcomings such as high power and high radiation.In order to solve this problem，this paper proposes a new network scheme for smart home based on WiFi and low voltage power carrier communication.This paper describes the design of the whole household system，the combination of WiFi and power line communication，the design of electric power carrier terminal module and control terminal software and so on.Actual tests prove the system realizes the complementary advantages of the two kinds of communication technology.The system can monitor the state of the electronic equipment and control them in real time reliably.It will have a good market prospect.

smart home；power line communication；wireless local area network；network mode

TN391.41

A

1003-3106（2016）05-0009-03

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.03

2016-01-27

江蘇省產學研聯合創新基金（前瞻性聯合研究）資助項目（BY2013063-10）；江蘇省揚州市產學研合作專項-與揚州大學合作項目（2012038-8）。

張正華 男，（1965—），碩士，副教授。主要研究方向：視頻圖像處理及編解碼、實時信號處理等。

徐 楊 男，（1990—），碩士研究生。主要研究方向：實時信號處理。