基于電力載波和WIFI的智能家居系統設計

楊　波,徐耀良

（上海電力學院 自動化工程學院,上海 200090）

基于電力載波和WIFI的智能家居系統設計

楊波,徐耀良

（上海電力學院 自動化工程學院,上海 200090）

針對目前智能家居功能單一的特點，提出了基于WIFI和電力載波通信的智能家居控制和監測系統并進行了硬件和軟件設計。采用搭載Android操作系統的智能手機或平板電腦作為控制終端，以TI CC3200、電力載波模塊KQ-130f、電能計量模塊和MC9S12XS128 Freescale處理器作為控制器，搭建了智能家居實驗平臺。結果表明，系統能夠穩定傳輸數據，智能手機或平板電腦能夠接收到用電器信息并控制其運行狀態。

智能家居；WIFI；電力載波；Android；MC9S12XS128；智能手機

0　引言

目前市面上的智能家居功能比較單一，大都只能控制家用電器的開關，并不能讓用戶確切的知道各電器設備的運行狀況，缺乏安全性，且目前數據傳輸的方式主要為WIFI、ZigBee、Bluetooth和RS485，較少的用到電力載波通信方式。傳統的電力載波正好可以解決無線信號衰減的問題，電力載波具有避免重新布線，信號不會因穿墻而衰減，不會影響家庭環境的美觀等優點，可以滿足智能家居環境中的通信要求[1]。

本文是分析了現有智能家居的發展狀況的基礎上，選擇手機作為智能家居的開發平臺，利用WIFI模塊、Freescale處理器、電力載波模塊、電力計量模塊等，通過WIFI無線通信和電力載波通信結合的方式來實現系統的連接和數據的傳輸，最終實現家居系統的智能化控制。

1　智能家居系統總體框架

智能家居主要由移動終端設備、傳輸設備、智能開關和控制單元四部分組成，其中的移動終端設備是普遍在使用的智能手機或平板電腦；傳輸設備為無線路由器；傳輸設備主要由WIFI模塊、CPU主控模塊、AC-DC電源模塊和可控硅開關模塊組成；控制單元即為家用照明設備。

本系統所使用的移動終端設備為搭載Android操作系統的智能手機,WIFI模塊主要是采用TICC3200方案，用于接收無線路由器和電力載波模塊發送的信息，CPU主控模塊包含FreescaleMC9S12XS128處理器通過SPI接口與電力載波模塊和WIFI模塊連接，讀取二者傳輸過來的信息；AC-DC電源模塊主要給CPU、電力載波模塊、WIFI模塊和固態繼電器供電；固態機電器用于控制電器的狀態[2]。

系統總體結構如圖1所示。

圖1　智能家居系統總體框圖

2　硬件實驗平臺設計

2.1 CPU主控模塊

MC9S12XS128是一款16位高性能單片機，其性能非常強、速度很快、價格低廉而且功耗很低，提價還非常小，極其適合家居環境。MC9S12XS128的總線速度為40MHz；具有128KB的大容量Flash存儲空間；模數轉換器，可在3的超短時間內實現轉換；內部計數器位16位，均為4通道；無論是正常運行還是待機都非常低并具有休眠喚醒功能，其最小系統如圖2所示[3]。

圖2　MC9S12XS128最小化電路

2.2 WIFI模塊

本模塊采用TICC3200[4]芯片實現數據的無線傳輸，基于ARMCORtex-M4內核。模塊內置TCP/IP協議和IEEE802.11b/g/n協議，用戶數據可以實現透傳。支持2路串口和最大3條TCP連接，支持2種加密方式：數據PC1加密透傳、SSLClient加密提交，安全可靠且發送大數據包不丟字節，模塊接線圖如圖3所示。

圖3　WIFI模塊電路

2.3 電力載波模塊

KQ-130f是單列9針小體積載波數據收發模塊。專門為220V交流電上傳輸數據，干擾大，衰減快的環境下，可靠的傳送數據而特別設計和開發的性價比很高的載波模塊。本模塊接口波特率9600bps，用戶與模塊通信采用9600bps異步方式，格式為1個起始位，8個數據位和1個停止位，電路如圖4所示。

2.4 電能計量模塊

HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值；SOP8封裝，體積小，廣泛應用于智能家電、節能插座，智能路燈、智能LED燈等應用場合。

電能計量電路原理圖如圖5所示，接線端子P1的1、2分別接零線和火線，同時零線作地線使用，2、3接口接負載，通過R29錳銅電阻采集負載上的電流，將信號發送至V1P和V1N端口。通過R21、R22、R23、R24和R26串聯的方式，將R26上分得的電壓送入V2P端口，測量負載電壓。HLW8012內部有專門的元件計算當前功率。P2口與單片機通信，將采集的電壓、電流、功率發送給單片機。

3　軟件設計

系統初始化完成之后，CPU讀取ROM中的數據來確定是否開關電器并配置電力載波和WIFI等模塊。之后系統讀取各電器當前的電壓電流值，與設定好的正常工作范圍值作比較，如果不在這個范圍內，證明電器工作異常，執行關閉電器的操作并將數據發送給用戶由用戶檢查問題所在。若各電器運行狀態良好，那么執行接入互聯網的操作，連接無線路由器并獲取IP地址，檢查是否接收到用戶發來的數據包，執行數據包內的命令并將電器開關狀態發送給用戶，設置開關定時。如果未收到用戶發來數據包，則檢查各電器開關定時時間是否已到并執行相應動作，繼續檢查用戶有無數據發來[5]，如圖6所示。

圖4 　電力載波模塊電路

圖5　電能計量模塊電路

圖6　軟件設計流程圖

用戶也可由系統自帶的觸摸板輸入數據，系統會優先相應來自觸摸板的命令，觸摸板的命令具有很高的優先級，CPU響應來自觸摸板的命令后控制電器的開關狀態，進行電力載波模塊和WIFI模塊的配置工作。

4　實驗驗證與分析

使用AltiumDesigner繪制硬件電路原理圖，生成PCB文件并重新布線，搭建智能家居開發試驗平臺，將移動端程序和CPU主控程序分別導入手機和Freescale單片機模塊中，在實驗室中進行了調試。系統使用手機搭載的是開源的Android操作系統，用戶通過手機，可以在家中實時控制電器，獲取電器運行轉態，及時的關斷異常電器。

圖7為電能監測上位機調試界面，通過此上位機可以驗證系統能夠穩定的傳輸當前電器設備的用電信息。

圖7　電能監測上位機界面

圖8為手機端APP界面，給家中的每個電器定義一個獨立的地址，手機通過軟件與其配對，將其加入管理系統中。經過測試，手機可以家中或遠程控制電器設備的開關，并且因為采用電力載波模塊，即使是在無線信號受到極大干擾的衛生間、廚房燈地方，也能做到很準確的控制。

5　結語

本文主要研究了基于電力載波和WIFI通訊方式、MC9S12XS128微處理器的智能家居系統，實現了對家用電器的數據采集和近遠程控制。該系統加入電力載波模塊，提升了通訊的穩定性，用戶能夠隨時獲取家用電器的用電信息，根據情況選擇家電的開關狀態，是家居更加人性化并提升其安全性，系統安裝非常簡便，智能化程度高，具有很廣闊的應用前景。

圖8　手機端APP界面

[1]李玉平,羅友,秦會斌等.基于電力載波通信的智能家居控制系統設計[J].電子器件,2014,37(03):487-492.

[2]賈陽靜,鄒念育,雷冬鳴等.基于Android和WIFI通信的智能家居系統設計[J].大連工業大學學報，2016,35(01):68-71.

[3]聶瓊,時忠明,陶杰.基于MC9S12XS128MAA的問世遠程監控系統設計與實現[J].江蘇農業科學,2015,43(05):409-413.

[4]郭書軍,田志鵬.基于單片WIFI MCU CC3200的無線串口[J].儀器儀表用戶,2016,23(01):24-27

[5]陳淑春，王文忠.基于ZigBee的節能門窗智能安防系統的實現[J].山東工業技術,2016(14):61-62

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.147

楊波（1992-），男，碩士研究生，研究方向：自動控制與檢測技術。