基于_WIFI智能開(kāi)關(guān)終端設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

（沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

【摘要】：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及信息通信、控制、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)步，智能化的產(chǎn)品不斷被人們所熟知，智能開(kāi)關(guān)是家居智能化的重要組成部分，它已經(jīng)漸漸取代傳統(tǒng)墻壁開(kāi)關(guān)，走入了我們的日常生活中。本文是研究和設(shè)計(jì)WIFI職能開(kāi)關(guān)技術(shù)。文中對(duì)智能開(kāi)關(guān)的概念、歷史、發(fā)展過(guò)程等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并分析了目前智能開(kāi)關(guān)在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的發(fā)展?fàn)顩r。本次設(shè)計(jì)引入了WIFI的概念，很多人對(duì)這個(gè)概念不是很清楚，認(rèn)為它只是以太網(wǎng)的一種延伸，其實(shí)它的功能遠(yuǎn)不止此，本文對(duì)WIFI技術(shù)的概念、產(chǎn)生背景，發(fā)展過(guò)程，功能特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。隨著無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，智能手機(jī)的普及率越來(lái)越高，WiFi技術(shù)也得到了非速的發(fā)展，已經(jīng)完全融入了我們的生活，而且隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人民追求越來(lái)越高的生活質(zhì)量，目前的室內(nèi)燈 開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和裝修大多采用固定式按鍵和觸摸平板的方式，傳統(tǒng)的室內(nèi)燈控制方式已不再滿(mǎn)足現(xiàn)代人們對(duì)生活水平的需求。

【關(guān)鍵詞】：智能開(kāi)關(guān)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)；單機(jī)片；芯片

一.研究領(lǐng)域

目前物聯(lián)網(wǎng)的通信環(huán)境有Ethernet， Wi-Fi， RFID， NFC（近距離無(wú)線(xiàn)通信）， Zigbee， 6LoWPAN（IPV6低速無(wú)線(xiàn)版本），Bluetooth， GSM， GPRS， GPS北斗， 3G， 4G等網(wǎng)絡(luò)，而每一種通信應(yīng)用協(xié)議都有一定適用范圍。AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太網(wǎng)，COAP協(xié)議是專(zhuān)門(mén)為資源受限設(shè)備開(kāi)發(fā)的協(xié)議，而DDS和MQTT的兼容性則強(qiáng)很多。無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域以WiFi，BT，ZigBee。

藍(lán)牙5.0協(xié)議已發(fā)布，但是目前以藍(lán)牙4.0為基礎(chǔ)。盡管藍(lán)牙4.0開(kāi)始引入了低功耗藍(lán)牙（BLE）的技術(shù)，但藍(lán)牙也有很明顯的短板：連接設(shè)備有限（理論上 7 個(gè)設(shè)備），不能自組網(wǎng)。對(duì)于一般的智能單品來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙足夠好了；但對(duì)于未來(lái)致力構(gòu)建智能家居生態(tài)（大量智能設(shè)備同時(shí)工作）的我們來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙肯定是不夠的。

Z綜合考慮后智能模塊使用Ti mps430+cc3300，之后可以通過(guò)更換ccxxxx升級(jí)。再用獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)保證達(dá)到安全可靠，經(jīng)濟(jì)使用。成為機(jī)械開(kāi)關(guān)和智能開(kāi)關(guān)結(jié)合的新型開(kāi)關(guān)。

二.研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)代家庭中開(kāi)關(guān)的控制至關(guān)重要，大量媒體報(bào)道過(guò)由于電源沒(méi)有關(guān)閉造成的漏電和火災(zāi)，或者冬天出門(mén)時(shí)候由于忘記關(guān)閉閥門(mén)而造成的水管破裂。目前市場(chǎng)有關(guān)家中開(kāi)關(guān)器件和閥門(mén)的產(chǎn)品比較少，杭州晶控電子有限公司智能家居平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于家中開(kāi)關(guān)和閥 門(mén)的遠(yuǎn)程控制，人們從手機(jī)和電腦上就可以控制家中的開(kāi)關(guān)器件，但是在手動(dòng)控制的情況下依然會(huì)出現(xiàn)人為忘記開(kāi)合開(kāi)關(guān)引起的不必要的事故或者麻煩。采用自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)后，人們不需要對(duì)家中的電氣開(kāi)關(guān)和閥門(mén)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)的傳感器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到家中的人數(shù)，從而對(duì)家中閥門(mén)和開(kāi)關(guān)的開(kāi)合進(jìn)行控制。智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng) 節(jié)省了勞動(dòng)力，增加了生活的安全性。針對(duì)目前智能開(kāi)關(guān)產(chǎn)品存在的過(guò)于操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、布線(xiàn)復(fù)雜等不足，提出將人性化、易用性、兼容性為智能開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的思想，開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)基于WIFI智能硬件平臺(tái)的智能家居開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的雛形，通過(guò)試驗(yàn)達(dá)到全年齡（特別是老人、兒童）都可以使用家居智能開(kāi)關(guān)。基于 WIFI模塊的智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)主要三部分組成：一 是 智 能 移動(dòng)終端。采用 eclipse 編寫(xiě)移動(dòng)終端上的上位機(jī)程序 ，程序語(yǔ) 言采用 AVA 編寫(xiě)，通過(guò)APP 控制軟件實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的界面功能。 二是負(fù)責(zé)廣播信息 AP節(jié)點(diǎn)。通過(guò) AP建立起 WIFI網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)客戶(hù)端和燈控節(jié)點(diǎn)模塊采用 UDP協(xié)議廣播機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換功能，本設(shè)計(jì) AP節(jié)點(diǎn)只 負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并不參與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 三是無(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)控制模塊。該部分主要是由串口WFI模塊、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路組成。單片機(jī)作為終端控 制設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)的功能是與串口 WFI模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的交換及系統(tǒng)終端有用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

三、創(chuàng)新

目前智能開(kāi)關(guān)交給芯片控制，老式機(jī)械開(kāi)關(guān)又不符合現(xiàn)代智能化的潮流，從而兩者結(jié)合，將保留老式開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)（安全可靠，經(jīng)典實(shí)用），又有智能開(kāi)關(guān)的方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。從而達(dá)到返樸歸真·簡(jiǎn)單易用。

創(chuàng)新點(diǎn)：1.將原有老式機(jī)械開(kāi)關(guān)和智能開(kāi)關(guān)結(jié)合，達(dá)到兩種方式保留并存。2.達(dá)到各個(gè)年齡段（特別老人、兒童）都可以使用家居智能開(kāi)關(guān)。3.并且降低未用和減少布線(xiàn)復(fù)雜等不足。

四.科學(xué)性與先進(jìn)性

通過(guò)踏板開(kāi)關(guān)實(shí)和用單片機(jī)+WIFI模塊應(yīng)用到燈開(kāi)關(guān)上。作品具有成熟的硬件條件，和理論基礎(chǔ)，可以達(dá)到預(yù)想目標(biāo)。

如：智能模塊使用Ti公司的mps430+cc3300的芯片方案，加上踏板開(kāi)關(guān)，踏板開(kāi)關(guān)已經(jīng)使用各行各業(yè)。產(chǎn)品將很快實(shí)現(xiàn)原有智能開(kāi)關(guān)和老式開(kāi)關(guān)生產(chǎn)。

無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)系列模塊硬件設(shè)計(jì)

1.1無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)弱電部分主控芯片

無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)弱電部分采用的卞控芯片為美國(guó)Ti公司推出的16位RISC微控制器mps430。

1.2無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)弱電部分電源管理模塊

總電源VCC為5V的直流穩(wěn)壓電源，主控芯片mps430需要供電電源3. 3V正常工作，所以必須設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路。

1.3無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)弱電部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)弱電部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括SDRAM和FLASH存儲(chǔ)電路。SDRAM電路可采用兼容設(shè)計(jì)方案，支持16M字節(jié)或32M字節(jié)的單片SDRAMo而在FLASH存儲(chǔ)電路方面，則選擇了NAND FLASH型號(hào)為K9F1802作為其儲(chǔ)存模塊。

1.4 WiFi HOST模塊

WiFi HOST模塊用于連接基于802. lln標(biāo)準(zhǔn)的CC3300無(wú)線(xiàn)芯片以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)與設(shè)備之間的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)。

無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)強(qiáng)電部分電路設(shè)計(jì)

2.1無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)強(qiáng)電部分電路設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)強(qiáng)電部分分別由220V轉(zhuǎn)5V/ACtoDC取電模塊和直接連接家用燈光電器的硬件控制電路兩部分所組成。

2.1 220V轉(zhuǎn)5V/AC to DC取電模塊

由于無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)弱電部分并不具備取電電源，而無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)正常工作所需要的電力供應(yīng)均從家電220V中取得，所以要實(shí)現(xiàn)弱電部分的供電問(wèn)題就必須要解決220V轉(zhuǎn)5V/AC to DC的取電問(wèn)題。目前220V轉(zhuǎn)5V/AC to DC開(kāi)關(guān)電源模塊在市場(chǎng)上已有現(xiàn)成產(chǎn)品，可根據(jù)智能開(kāi)關(guān)具體的功耗問(wèn)題，尤其是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卜的功耗問(wèn)題而作出適當(dāng)?shù)倪x擇。

2.2連接家用燈光電器的控制電路設(shè)計(jì)

家用無(wú)線(xiàn)智能開(kāi)關(guān)內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)通道，一個(gè)通道可直接接入一個(gè)燈光設(shè)備。另一個(gè)接入控制電路中將由終端控制開(kāi)關(guān)。

五.結(jié)語(yǔ)

2010年市場(chǎng)規(guī)模約為1 250億美元其中歐洲及美國(guó)合計(jì)約占55%日韓合計(jì)約占30%至于發(fā)展初期的中國(guó)大陸雖只占有7%之市場(chǎng)比率但預(yù)估2010年一2016年之年復(fù)合增長(zhǎng)率可高達(dá)近50%。預(yù)估中國(guó)大陸市場(chǎng)具有高度增長(zhǎng)動(dòng)能，其中以中央政策主導(dǎo)地方政府為求政績(jī)效紛紛建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范區(qū)衍生的市場(chǎng)需求吸引許多國(guó)際廠商進(jìn)駐再由產(chǎn)業(yè)之形成的擴(kuò)散從而應(yīng)用場(chǎng)域逐步推升市場(chǎng)規(guī)模。

同時(shí)，由于中國(guó)房屋容量飽和且大量房屋都已裝修，并且在功能和使用壽命都在良好的情況下。智能硬件將以低成本、兼用原有電器的優(yōu)點(diǎn)，將擁有大量空白市場(chǎng)。這些市場(chǎng)在以智能手機(jī)帶動(dòng)下，現(xiàn)代生活“以人為本、舒適、智能、環(huán)?！敝悄芗揖釉絹?lái)越深入人心。形成大量潛在用戶(hù)，但在成本考慮下猶豫不決或放棄購(gòu)買(mǎi)智能產(chǎn)品。本產(chǎn)品因?yàn)閮r(jià)格低，性?xún)r(jià)比高，同時(shí)兼容已經(jīng)裝修的房屋，不需要換燈的情況下最佳選擇。