一种由WiFi智能插座构成的智能家居

XJzy

[导读] 智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

　　最常实现的应用是灯光、热水器、空调、入侵监测、烟雾报警、视频监控和窗帘的智能控制。

　　1 智能家居中的通信技术

　　1.1 有线通信控制和无线通信控制的比较

　　智能家居中的通信技术可以分为有线通信技术和无线通信技术。

　　（1）有线控制

　　有线控制的结构为将控制器放置于强电箱内，开关和中控主机分别通过弱电控制线路进行控制。有线控制采用有线通信技术。

　　有线控制的优点：安全稳定，不受干扰;有线控制的缺点：方案没计要求高，线路架设要求高，后期拓展改动困难。这种方式在智能家居发展初期使用较多，是从工业控制转变而来，主要适用大面积的商用场所等有专人集中管理的场所，逐渐被无线通信所替代。

　　（2）无线控制

　　无线控制采用无线通信技术实现对设备的控制。无线控制的优点：安装和布线简单;无线控制的缺点：抗干扰性相比有线控制要差些，信号覆盖受建筑物影响。

　　1.2 智能家居中的无线通信技术

　　智能家居中的无线通信技术主要有：

　　①红外通信技术;

　　②433 MHz等小于1 GHz的射频技术;

　　③蓝牙技术;

　　④ZigBee通信技术;

　　⑤Z—Wave技术;

　　⑥WiFi技术。

　　每种技术都有其优缺点，但不管采用哪种通信技术，如果要实现对家居设备的远程控制，设备都需要接入Internet网。而WiFi通信技术是手持终端接入Internet的主流技术，采用WiFi技术之外的其他通信技术的设备要接入Internet都需要家庭网关进行转换，例如采用ZigBee技术的智能家居系统，需要在家庭网关中增加ZigBee转WiFi的功能。

　　WiFi技术在智能家居中的应用的主要优点有：WiFi智能节点可以直接连接无线路由器，从而接入Internet网;不需要家庭网关，节点可以任意扩充;不会破坏现有装修;智能手机可以进行局域网控制和远程控制。

　　当然，WiFi技术相比ZigBee和433 MHz射频通信技术也有其缺点：功耗偏大、价格偏高。但随着节能技术的引进和芯片工艺的改进，功耗问题和价格问题已逐步得到解决。鉴于WiFi模块是笔记本、平板电脑和智能手机的标准配置，基于WiFi技术的智能家居会逐步得到推广和应用，市场前景广阔。

　　下面重点围绕串口WiFi模块阐述WiFi在智能家居中的应用。

　　2 应用于智能家居中的串口WiFi

　　2.1 串口WiFi概述

　　电脑上使用的WiFi模块或是WiFi网卡，是需要运行在操作系统的基础上，对主机的硬件资源要求很高，像一般的工业设备和家庭电器设备是不能直接驱动这样的WiFi网卡的。

　　串口WiFi模块，又称为嵌入式WiFi模块，是内嵌TCP/IP协议的WiFi模块。其硬件构成主要是由内嵌的一个单片机和WiFi模块构成，单片机要实现裸机驱动程序和TCP/IP协议，WiFi模块则必须完成数据的无线收发。嵌入式WiFi模块对外提供UART串口或者SPI接口，因而可以通过串口或者SPI接口和单片机连接，让设备轻松接入Internet网络。

　　图1是灵芯微电子科技（苏州）有限公司利用公司自主知识产权的WiFi芯片开发的SWM9001EU串口WiFi模块，该模块内部集成了TCP/IP协议栈和WiFi模块，用户可以轻松实现串口设备的无线网络功能，节省开发时间，使产品更快地投入市场，增强竞争力。该模块可以广泛应用于油田、矿山、工业、智能家居以及物联网等领域。模块的机械尺寸为33 mm×20 mm×4.5 mm。

　　

　　图1 SWM9001EU串口WiFi模块

　　2.2 SWM9001EU串口WiFi的功能和指标

　　（1）基本功能

　　①单操作电压为3.3 V;

　　②工作电流《250 mA（节能模式下工作电流《25 mA）;休眠电流《2 mA（Switch off WiFi power）;

　　③CPU主频为120MHz，内嵌Flash 256 KB，SRAM96 KB;

　　④两种工作模式为命令控制模式和透明传输模式;

　　⑤完整的WiFi无线通信解决方案，全面降低应用处理器的资源需求;

　　⑥多种配置方式包括模块内置WEB配置服务器、PC端配置软件配置或SCI_AT+命令配置及手机配置;

　　⑦串口波特率最大为115 200 bps。

　　（2）WiFi指标

　　①WLAN标准为IEEE802.11b/g，2.4 G ISM频段;

　　②支持Ad-Hoc方式组建无线网络;

　　③支持WEP40和WEP104加密（64/128位），支持WPA/WPA2 PSK加密，加密算法支持AES和TKIP;

　　④WiFi连接断开后自动恢复;

　　⑤模块从复位到建立WiFi网络的时间小于5 s（WEP加密方式）或10 s（WPA加密方式）。

　　（3）内置TCP/IP协议

　　①支持DNS域名解析服务;

　　②支持DHCP自动获取IP地址，Ad-Hoc模式下自动开启DHCP服务器功能;

　　③支持网络数据传输协议TCP、UDP;

　　④支持TCP服务器模式或者客户端模式;

　　⑤作为TCP客户端时，具有TCP断线自动重连机制，保证数据传输链路稳定可靠;

　　⑥作为TCP服务器时，允许最多8个客户端的连接;

　　⑦支持UDP广播或单播。

　　下面以WiFi插座作为串口WiFi模块的一个具体实例进行描述。

　　3 WiFi插座在智能家居中的应用

　　3.1 WiFi插座的应用场景和系统构成

　　这些功能使用WiFi智能插座就可以实现：

　　①回家之前先打开空调，回到家就可以享受清凉;

　　②回家之前先打开热水器，回家就可以洗个热水澡;

　　③回家之前先启动咖啡机，回家可以即刻喝上新鲜出炉的咖啡。

　　WiFi插座的优点：费用低廉，不需要家庭网关;安装简单，不需要破环现有装饰;使用方便，可以随意扩充插座的数量;控制灵活，可以用智能手机进行远程控制。

　　图2是WiFi插座的应用系统构成，包括WiFi插座、无线路由器、远程服务器、手机控制终端、手机接入网络和Internet网络。

　　

　　图2 WiFi插座系统构成

　　结合图2来看看WiFi插座的工作原理：

　　①通过手机端的配置程序，配置模块要连接的路由器的名称（SSID）和密钥;

　　②通过手机端的配置程序，配置模块要连接远程服务器的IP地址;

　　③配置模块上电连接远程服务器;

　　④手机等控制终端连接远程服务器，下达命令;

　　⑤远程服务器将用户指令下发给住宅中的WiFi插座;

　　⑥WiFi插座完成相应的通、断动作。

　　3.2 WiFi插座的控制原理

　　WiFi插座由串口WiFi模块、继电器控制电路、继电器和输出触点构成，如图3所示。

　　

　　图3 WiFi插座的构成

　　串口WiFi模块根据接收到的控制指令控制继电器的通断，控制电路如图4所示。

　　

　　图4 WiFi插座的继电器控制电路

　　模块收到合上指令，PC8端口输出高电平，Q1导通，继电器的线圈有电流流过，继电器的触点L_IN和触点L_OUT吸合，插座供电给负载;

　　模块收到断开指令，PC8端口输出低电平，Q1截止，继电器的线圈没有电流，继电器的触点L_IN和触点L_OUT断开，插座断电。

　　以上只是以WiFi插座为例，叙述基于WiFi技术的智能家居，如果要实现智能家居中的其他功能，实现原理类似。例如，要实现远程视频监控，只需将插座改为摄像头并实现相应的软件功能即可。

　　4 基于WiFi技术的智能家居系统

　　基于WiFi技术的智能家居系统由WiFi智能节点、智能家居网关、无线路由器、远程服务器、控制终端、3G通信网络和Internet网络组成，如图5所示。

　　

　　图5 基于WiFi的智能家居系统

　　结语

　　随着人们生活质量的提高，智能家居的概念会越来越深入人心，而采用全套的智能家居系统的费用很高，并且对于已经交付使用的住宅来说，改造起来还很麻烦。利用 WiFi智能插座，不需要家庭网关，不需要破坏现有装饰，就可以轻松实现对家用电器的智能化控制，自己动手实现基于WiFi技术的智能家居的构建，体验科技带来的便利。