基于WiFi和電力載波的智能家居控制系統(tǒng)

胡桐嘉 賈繼康 劉豪 劉雪峰 孫文匯

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714010

摘要：本設(shè)計(jì)是一款基于WiFi和電力載波的智能家居控制器，主控采用的是STM32F103低功耗單片機(jī)，WiFi采用的是安信可公司的esp8266，電力載波用的是過零調(diào)制，用幾百KHz的信號(hào)作為載波，把信號(hào)調(diào)制到家用交流電上進(jìn)行傳輸。本系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制家里的電器，并檢測(cè)家電的工作情況，利用電力載波技術(shù)彌補(bǔ)了WiFi信號(hào)覆蓋范圍不足的情況，寬展了通信范圍。本系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)送裝置，控制裝置，后臺(tái)應(yīng)用程序，以及移動(dòng)端APP組成。該系統(tǒng)組網(wǎng)方便，成本低，適用范圍廣，有很高的市場(chǎng)和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電力載波；esp8266；智能家居

由于互聯(lián)網(wǎng)+的提出，智能家居是現(xiàn)在發(fā)展的一個(gè)潮流，也是未來的一個(gè)發(fā)展方向，想要使家電智能化，就要求家電具有相互通信的功能，這樣就必須對(duì)家電進(jìn)行改造，這不是在短期內(nèi)能實(shí)現(xiàn)的，且需要淘汰現(xiàn)有的家電，這樣會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和成本的提高，為了在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)家電的基本智能化，設(shè)計(jì)了一種基于電力載波和WiFi技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)分為三個(gè)部分即手機(jī)APP及后臺(tái)應(yīng)用程序，信號(hào)接收發(fā)送裝置，智能開關(guān)裝置，通過此系統(tǒng)可以有效便捷的實(shí)現(xiàn)家電的智能化，它利用家庭用電線路傳輸信號(hào)，充分挖掘了家庭電力線新的使用價(jià)值，同時(shí)采用WiFi彌補(bǔ)了電力載波移動(dòng)性差的問題。本方案適用于絕大多數(shù)家庭，利用現(xiàn)有的家庭電力線，并輔以WiFi技術(shù)作為無線傳輸方案，采用嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)，通過手機(jī)向后臺(tái)發(fā)送控制指令，后臺(tái)經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后，轉(zhuǎn)發(fā)給智能硬件，以次達(dá)到跨網(wǎng)段傳輸控制指令的作用。

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

1）實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段傳輸控制指令；

2）實(shí)現(xiàn)對(duì)家電工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；

3）實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭用電量統(tǒng)計(jì)的功能；

4）實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的靈活控制；

5）在網(wǎng)絡(luò)不通的情況，自動(dòng)切換為局域網(wǎng)控制模式。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了現(xiàn)有的家庭資源，可以在不破換家庭裝修的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的智能控制，該系統(tǒng)的正常運(yùn)行還可以監(jiān)控家電，解決生活中存在的用電安全隱患，此系統(tǒng)適合多數(shù)家庭使用，能讓低收入的家庭也能享受智能家電帶來的快感，提升人們生活幸福度。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要從后臺(tái)應(yīng)用程序、移動(dòng)端APP、智能硬件三部分構(gòu)成，后臺(tái)應(yīng)用程序主要功能是連接移動(dòng)端APP和智能硬件并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)分析，移動(dòng)端APP是一個(gè)人機(jī)交互平臺(tái)，用戶可以通過手機(jī)查看智能硬件的工作狀態(tài)并控制智能硬件，智能硬件分為信號(hào)收發(fā)裝置和智能控制裝置，信號(hào)收發(fā)裝置通過WiFi和后臺(tái)應(yīng)用程序進(jìn)行通信，并把信號(hào)加載到電力線上進(jìn)行傳播；智能控制裝置負(fù)責(zé)接收控制指令然后控制智能家電并時(shí)刻監(jiān)視家電的工作情況，反饋給信號(hào)收發(fā)裝置，由信號(hào)收發(fā)裝置發(fā)送給后臺(tái)應(yīng)用程序。

2 系統(tǒng)功能

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的智能控制，在不改造家庭的前臺(tái)下，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款方便適用的控制裝置，它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的開關(guān)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電工作情況以及耗電情況的分析，給出合適的使用建議，既保證了家庭用電安全，又從側(cè)面減少了浪費(fèi)。本裝置從功能實(shí)現(xiàn)上主要分為后臺(tái)應(yīng)用程序、移動(dòng)端APP、信號(hào)收發(fā)裝置、智能控制裝置4部分組成，從功能上劃分分為數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程透?jìng)鳎盘?hào)的調(diào)制與解調(diào)、家電使用數(shù)據(jù)的分析以及實(shí)現(xiàn)對(duì)家電控制的核心功能。下面分別闡述各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)原理。

1）后臺(tái)應(yīng)用程序，后臺(tái)應(yīng)用程序采用標(biāo)準(zhǔn)java語言開發(fā)，是一個(gè)基于SSM框架搭建的一個(gè)web服務(wù)站點(diǎn)，本web程序主要負(fù)責(zé)用戶的登錄注冊(cè)，以及記錄各個(gè)家電的工作狀態(tài)以及耗電情況，當(dāng)用戶通過移動(dòng)端接入本平臺(tái)時(shí)，首先需要要求用戶登錄，登錄成功后，可以讀取各個(gè)模塊的工作情況，并可以向各個(gè)模塊發(fā)送控制指令。核心功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髋c數(shù)據(jù)分析。

2）移動(dòng)端APP，移動(dòng)端APP主要分為iPhone端APP和Android端APP，移動(dòng)端APP主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和人之間的人機(jī)交互功能，用戶安裝設(shè)備后，需要注冊(cè)一個(gè)賬號(hào)，注冊(cè)成功后可以通過輸入設(shè)備號(hào)或掃描設(shè)備二維碼進(jìn)行設(shè)備綁定，綁定成功后就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)透?jìng)鳎詈猛ㄟ^手機(jī)APP發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制功能。并可以通過手機(jī)查看設(shè)備在一周內(nèi)的耗電情況。

3）信號(hào)發(fā)送裝置，信號(hào)收發(fā)裝置主控芯片采用的是STM32F103芯片，并輔以電力載波模塊與esp8266串口WiFi模塊，電力載波模塊通過串口2與主控芯片進(jìn)行通信，esp8266通過串口1與主控芯片進(jìn)行通信，電力載波模塊采用的調(diào)制方式是FSK調(diào)制方式，將數(shù)百KHz的信號(hào)作為載波，調(diào)制到家庭用電線路上，并采用OFDM技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)頻。esp8266起到信號(hào)傳輸?shù)淖饔茫饕沁B接家用WiFi，然后和后臺(tái)應(yīng)用程序做數(shù)據(jù)透?jìng)鳌?/p>

4）智能控制裝置，智能控制裝置核心控制芯片也采用STM32F13芯片，智能控制裝置從功能上分為控制模塊和監(jiān)測(cè)模塊，控制模塊主要構(gòu)成器件是繼電器以及繼電器驅(qū)動(dòng)電路組成，監(jiān)測(cè)模塊則由電流計(jì)和安全保護(hù)電路組成，電流計(jì)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電流，并統(tǒng)計(jì)家電耗電量，安全保護(hù)模塊主要是當(dāng)電壓超載或者發(fā)生電路短路時(shí)斷掉電路起到保護(hù)電路的功能，減少發(fā)生用電安全事故的幾率。裝置通過電力載波模塊個(gè)信號(hào)收發(fā)裝置進(jìn)行通信，把自己的監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送給信號(hào)收發(fā)裝置，由信號(hào)收發(fā)裝置發(fā)送給后臺(tái)應(yīng)用程序，由后臺(tái)應(yīng)用程序做數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

為了防止網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種臨時(shí)解決方案，此方案是通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制家電的功能，把數(shù)據(jù)先緩存到手機(jī)上，等網(wǎng)絡(luò)暢通后再把手機(jī)上的緩存上傳到后臺(tái)，由后臺(tái)做統(tǒng)計(jì)分析。

3 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)采用了WiFi與電力載波相結(jié)合的方式，既彌補(bǔ)了WiFi通信距離受限制穿墻效果差的缺點(diǎn)，又解決了電力載波移動(dòng)性差的問題，該系統(tǒng)利用家庭電力線作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，不需要重新布線，結(jié)合WiFi又可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程跨網(wǎng)通信，比傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)方便安裝，成本低廉，具有關(guān)闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2]黃維.基于LonWorks電力載波通信的隧道照明系統(tǒng)[J].電子世界，2014，7.

注：青島工學(xué)院董事長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目——大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2016CX010）

作者簡(jiǎn)介：胡桐嘉，青島工學(xué)院2015級(jí)通信工程在校生；賈繼康、劉豪，青島工學(xué)院2013級(jí)通信工程在校生。

通訊作者：劉雪峰（1980），女，青島工學(xué)院信息工程學(xué)院通信工程專業(yè)帶頭人，副教授；孫文匯（1981），男，青島工學(xué)院信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室主任，講師。