基于WiFi和電力載波的智能家居控制系統

胡桐嘉 賈繼康 劉豪 劉雪峰 孫文匯

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714010

摘要：本設計是一款基于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，WiFi采用的是安信可公司的esp8266，電力載波用的是過零調制，用幾百KHz的信號作為載波，把信號調制到家用交流電上進行傳輸。本系統可以遠程控制家里的電器，并檢測家電的工作情況，利用電力載波技術彌補了WiFi信號覆蓋范圍不足的情況，寬展了通信范圍。本系統由信號發送裝置，控制裝置，后臺應用程序，以及移動端APP組成。該系統組網方便，成本低，適用范圍廣，有很高的市場和應用價值。

關鍵詞：電力載波；esp8266；智能家居

由于互聯網+的提出，智能家居是現在發展的一個潮流，也是未來的一個發展方向，想要使家電智能化，就要求家電具有相互通信的功能，這樣就必須對家電進行改造，這不是在短期內能實現的，且需要淘汰現有的家電，這樣會導致資源的浪費和成本的提高，為了在現有的基礎上實現家電的基本智能化，設計了一種基于電力載波和WiFi技術的智能家居控制系統，此系統分為三個部分即手機APP及后臺應用程序，信號接收發送裝置，智能開關裝置，通過此系統可以有效便捷的實現家電的智能化，它利用家庭用電線路傳輸信號，充分挖掘了家庭電力線新的使用價值，同時采用WiFi彌補了電力載波移動性差的問題。本方案適用于絕大多數家庭，利用現有的家庭電力線，并輔以WiFi技術作為無線傳輸方案，采用嵌入式應用程序開發，通過手機向后臺發送控制指令，后臺經過簡單處理后，轉發給智能硬件，以次達到跨網段傳輸控制指令的作用。

該系統主要實現的功能有：

1）實現跨網段傳輸控制指令；

2）實現對家電工作狀態的實時監控；

3）實現對家庭用電量統計的功能；

4）實現對家電的靈活控制；

5）在網絡不通的情況，自動切換為局域網控制模式。

該系統的設計采用了現有的家庭資源，可以在不破換家庭裝修的前提下，實現對家電的智能控制，該系統的正常運行還可以監控家電，解決生活中存在的用電安全隱患，此系統適合多數家庭使用，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 系統總體方案

本系統主要從后臺應用程序、移動端APP、智能硬件三部分構成，后臺應用程序主要功能是連接移動端APP和智能硬件并存儲數據做數據分析，移動端APP是一個人機交互平臺，用戶可以通過手機查看智能硬件的工作狀態并控制智能硬件，智能硬件分為信號收發裝置和智能控制裝置，信號收發裝置通過WiFi和后臺應用程序進行通信，并把信號加載到電力線上進行傳播；智能控制裝置負責接收控制指令然后控制智能家電并時刻監視家電的工作情況，反饋給信號收發裝置，由信號收發裝置發送給后臺應用程序。

2 系統功能

為了實現對家電的智能控制，在不改造家庭的前臺下，本系統設計了一款方便適用的控制裝置，它不僅可以實現對家電的開關，還可以實現對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，又從側面減少了浪費。本裝置從功能實現上主要分為后臺應用程序、移動端APP、信號收發裝置、智能控制裝置4部分組成，從功能上劃分分為數據遠程透傳，信號的調制與解調、家電使用數據的分析以及實現對家電控制的核心功能。下面分別闡述各個功能模塊的實現原理。

1）后臺應用程序，后臺應用程序采用標準java語言開發，是一個基于SSM框架搭建的一個web服務站點，本web程序主要負責用戶的登錄注冊，以及記錄各個家電的工作狀態以及耗電情況，當用戶通過移動端接入本平臺時，首先需要要求用戶登錄，登錄成功后，可以讀取各個模塊的工作情況，并可以向各個模塊發送控制指令。核心功能是進行數據網絡透傳與數據分析。

2）移動端APP，移動端APP主要分為iPhone端APP和Android端APP，移動端APP主要功能是實現系統和人之間的人機交互功能，用戶安裝設備后，需要注冊一個賬號，注冊成功后可以通過輸入設備號或掃描設備二維碼進行設備綁定，綁定成功后就可以實現數據的網絡透傳，最好通過手機APP發送控制指令，實現對家電的控制功能。并可以通過手機查看設備在一周內的耗電情況。

3）信號發送裝置，信號收發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與主控芯片進行通信，esp8266通過串口1與主控芯片進行通信，電力載波模塊采用的調制方式是FSK調制方式，將數百KHz的信號作為載波，調制到家庭用電線路上，并采用OFDM技術進行擴頻。esp8266起到信號傳輸的作用，主要是連接家用WiFi，然后和后臺應用程序做數據透傳。

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測模塊，控制模塊主要構成器件是繼電器以及繼電器驅動電路組成，監測模塊則由電流計和安全保護電路組成，電流計負責監測電流，并統計家電耗電量，安全保護模塊主要是當電壓超載或者發生電路短路時斷掉電路起到保護電路的功能，減少發生用電安全事故的幾率。裝置通過電力載波模塊個信號收發裝置進行通信，把自己的監測結果發送給信號收發裝置，由信號收發裝置發送給后臺應用程序，由后臺應用程序做數據統計與分析。

為了防止網絡發生中斷的現象，設計了一種臨時解決方案，此方案是通過局域網實現控制家電的功能，把數據先緩存到手機上，等網絡暢通后再把手機上的緩存上傳到后臺，由后臺做統計分析。

3 系統創新點

本系統采用了WiFi與電力載波相結合的方式，既彌補了WiFi通信距離受限制穿墻效果差的缺點，又解決了電力載波移動性差的問題，該系統利用家庭電力線作為信號傳輸介質，不需要重新布線，結合WiFi又可以實現遠程跨網通信，比傳統的智能家居系統方便安裝，成本低廉，具有關闊的市場前景。

參考文獻：

[1]丁銳智.基于電力載波通信的路燈監控系統[D].北方工業大學，2014.

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

注：青島工學院董事長基金資助項目——大學生科技創新項目（項目編號：2016CX010）

作者簡介：胡桐嘉，青島工學院2015級通信工程在校生；賈繼康、劉豪，青島工學院2013級通信工程在校生。

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