一種由WiFi智能插座構(gòu)成的智能家居

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

最常實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用是燈光、熱水器、空調(diào)、入侵監(jiān)測(cè)、煙霧報(bào)警、視頻監(jiān)控和窗簾的智能控制。

1智能家居中的通信技術(shù)

1.1有線通信控制和無(wú)線通信控制的比較

智能家居中的通信技術(shù)可以分為有線通信技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)。

（1）有線控制

有線控制的結(jié)構(gòu)為將控制器放置于強(qiáng)電箱內(nèi)，開(kāi)關(guān)和中控主機(jī)分別通過(guò)弱電控制線路進(jìn)行控制。有線控制采用有線通信技術(shù)。

有線控制的優(yōu)點(diǎn)：安全穩(wěn)定，不受干擾；有線控制的缺點(diǎn)：方案沒(méi)計(jì)要求高，線路架設(shè)要求高，后期拓展改動(dòng)困難。這種方式在智能家居發(fā)展初期使用較多，是從工業(yè)控制轉(zhuǎn)變而來(lái)，主要適用大面積的商用場(chǎng)所等有專人集中管理的場(chǎng)所，逐漸被無(wú)線通信所替代。

（2）無(wú)線控制

無(wú)線控制采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。無(wú)線控制的優(yōu)點(diǎn)：安裝和布線簡(jiǎn)單；無(wú)線控制的缺點(diǎn)：抗干擾性相比有線控制要差些，信號(hào)覆蓋受建筑物影響。

1.2智能家居中的無(wú)線通信技術(shù)

智能家居中的無(wú)線通信技術(shù)主要有：

①紅外通信技術(shù)；

②433 MHz等小于1 GHz的射頻技術(shù)；

③藍(lán)牙技術(shù)；

④ZigBee通信技術(shù)；

⑤Z—Wave技術(shù)；

⑥WiFi技術(shù)。

每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但不管采用哪種通信技術(shù)，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，設(shè)備都需要接入Internet網(wǎng)。而WiFi通信技術(shù)是手持終端接入Internet的主流技術(shù)，采用WiFi技術(shù)之外的其他通信技術(shù)的設(shè)備要接入Internet都需要家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如采用ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，需要在家庭網(wǎng)關(guān)中增加ZigBee轉(zhuǎn)WiFi的功能。

WiFi技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)有：WiFi智能節(jié)點(diǎn)可以直接連接無(wú)線路由器，從而接入Internet網(wǎng)；不需要家庭網(wǎng)關(guān)，節(jié)點(diǎn)可以任意擴(kuò)充；不會(huì)破壞現(xiàn)有裝修；智能手機(jī)可以進(jìn)行局域網(wǎng)控制和遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)然，WiFi技術(shù)相比ZigBee和433 MHz射頻通信技術(shù)也有其缺點(diǎn)：功耗偏大、價(jià)格偏高。但隨著節(jié)能技術(shù)的引進(jìn)和芯片工藝的改進(jìn)，功耗問(wèn)題和價(jià)格問(wèn)題已逐步得到解決。鑒于WiFi模塊是筆記本、平板電腦和智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，基于WiFi技術(shù)的智能家居會(huì)逐步得到推廣和應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。

下面重點(diǎn)圍繞串口WiFi模塊闡述WiFi在智能家居中的應(yīng)用。

2應(yīng)用于智能家居中的串口WiFi

2.1串口WiFi概述

電腦上使用的WiFi模塊或是WiFi網(wǎng)卡，是需要運(yùn)行在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)主機(jī)的硬件資源要求很高，像一般的工業(yè)設(shè)備和家庭電器設(shè)備是不能直接驅(qū)動(dòng)這樣的WiFi網(wǎng)卡的。

串口WiFi模塊，又稱為嵌入式WiFi模塊，是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的WiFi模塊。其硬件構(gòu)成主要是由內(nèi)嵌的一個(gè)單片機(jī)和WiFi模塊構(gòu)成，單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)裸機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議，WiFi模塊則必須完成數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。嵌入式WiFi模塊對(duì)外提供UART串口或者SPI接口，因而可以通過(guò)串口或者SPI接口和單片機(jī)連接，讓設(shè)備輕松接入Internet網(wǎng)絡(luò)。

圖1是靈芯微電子科技（蘇州）有限公司利用公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的WiFi芯片開(kāi)發(fā)的SWM9001EU串口WiFi模塊，該模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧和WiFi模塊，用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，使產(chǎn)品更快地投入市場(chǎng)，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。該模塊可以廣泛應(yīng)用于油田、礦山、工業(yè)、智能家居以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。模塊的機(jī)械尺寸為33 mm×20 mm×4.5 mm.


圖1 SWM9001EU串口WiFi模塊

2.2 SWM9001EU串口WiFi的功能和指標(biāo)

(1)基本功能

①單操作電壓為3.3 V;

②工作電流250 mA(節(jié)能模式下工作電流25 mA);休眠電流2 mA(Switch off WiFi power);

③CPU主頻為120MHz，內(nèi)嵌Flash 256 KB，SRAM96 KB;

④兩種工作模式為命令控制模式和透明傳輸模式;

⑤完整的WiFi無(wú)線通信解決方案，全面降低應(yīng)用處理器的資源需求;

⑥多種配置方式包括模塊內(nèi)置WEB配置服務(wù)器、PC端配置軟件配置或SCI_AT+命令配置及手機(jī)配置;

⑦串口波特率最大為115 200 bps。

(2)WiFi指標(biāo)

①WLAN標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11b/g，2.4 G ISM頻段;

②支持Ad-Hoc方式組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò);

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連接斷開(kāi)后自動(dòng)恢復(fù);

⑤模塊從復(fù)位到建立WiFi網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間小于5 s(WEP加密方式)或10 s(WPA加密方式)。

(3)內(nèi)置TCP/IP協(xié)議

①支持DNS域名解析服務(wù);

②支持DHCP自動(dòng)獲取IP地址，Ad-Hoc模式下自動(dòng)開(kāi)啟DHCP服務(wù)器功能;

③支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP、UDP;

④支持TCP服務(wù)器模式或者客戶端模式;

⑤作為T(mén)CP客戶端時(shí)，具有TCP斷線自動(dòng)重連機(jī)制，保證數(shù)據(jù)傳輸鏈路穩(wěn)定可靠;

⑥作為T(mén)CP服務(wù)器時(shí)，允許最多8個(gè)客戶端的連接;

⑦支持UDP廣播或單播。

下面以WiFi插座作為串口WiFi模塊的一個(gè)具體實(shí)例進(jìn)行描述。

3 WiFi插座在智能家居中的應(yīng)用

3.1 WiFi插座的應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)構(gòu)成

這些功能使用WiFi智能插座就可以實(shí)現(xiàn)：

①回家之前先打開(kāi)空調(diào)，回到家就可以享受清涼；

②回家之前先打開(kāi)熱水器，回家就可以洗個(gè)熱水澡；

③回家之前先啟動(dòng)咖啡機(jī)，回家可以即刻喝上新鮮出爐的咖啡。

WiFi插座的優(yōu)點(diǎn)：費(fèi)用低廉，不需要家庭網(wǎng)關(guān)；安裝簡(jiǎn)單，不需要破環(huán)現(xiàn)有裝飾；使用方便，可以隨意擴(kuò)充插座的數(shù)量；控制靈活，可以用智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖2是WiFi插座的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成，包括WiFi插座、無(wú)線路由器、遠(yuǎn)程服務(wù)器、手機(jī)控制終端、手機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)。


圖2 WiFi插座系統(tǒng)構(gòu)成

結(jié)合圖2來(lái)看看WiFi插座的工作原理：

①通過(guò)手機(jī)端的配置程序，配置模塊要連接的路由器的名稱（SSID）和密鑰；

②通過(guò)手機(jī)端的配置程序，配置模塊要連接遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP地址；

③配置模塊上電連接遠(yuǎn)程服務(wù)器；

④手機(jī)等控制終端連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，下達(dá)命令；

⑤遠(yuǎn)程服務(wù)器將用戶指令下發(fā)給住宅中的WiFi插座；

⑥WiFi插座完成相應(yīng)的通、斷動(dòng)作。

3.2 WiFi插座的控制原理

WiFi插座由串口WiFi模塊、繼電器控制電路、繼電器和輸出觸點(diǎn)構(gòu)成，如圖3所示。


圖3 WiFi插座的構(gòu)成

串口WiFi模塊根據(jù)接收到的控制指令控制繼電器的通斷，控制電路如圖4所示。


圖4 WiFi插座的繼電器控制電路

模塊收到合上指令，PC8端口輸出高電平，Q1導(dǎo)通，繼電器的線圈有電流流過(guò)，繼電器的觸點(diǎn)L_IN和觸點(diǎn)L_OUT吸合，插座供電給負(fù)載；

模塊收到斷開(kāi)指令，PC8端口輸出低電平，Q1截止，繼電器的線圈沒(méi)有電流，繼電器的觸點(diǎn)L_IN和觸點(diǎn)L_OUT斷開(kāi)，插座斷電。

以上只是以WiFi插座為例，敘述基于WiFi技術(shù)的智能家居，如果要實(shí)現(xiàn)智能家居中的其他功能，實(shí)現(xiàn)原理類似。例如，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，只需將插座改為攝像頭并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的軟件功能即可。

4基于WiFi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

基于WiFi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)由WiFi智能節(jié)點(diǎn)、智能家居網(wǎng)關(guān)、無(wú)線路由器、遠(yuǎn)程服務(wù)器、控制終端、3G通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)組成，如圖5所示。


圖5基于WiFi的智能家居系統(tǒng)

結(jié)語(yǔ)

隨著人們生活質(zhì)量的提高，智能家居的概念會(huì)越來(lái)越深入人心，而采用全套的智能家居系統(tǒng)的費(fèi)用很高，并且對(duì)于已經(jīng)交付使用的住宅來(lái)說(shuō)，改造起來(lái)還很麻煩。利用WiFi智能插座，不需要家庭網(wǎng)關(guān)，不需要破壞現(xiàn)有裝飾，就可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的智能化控制，自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)基于WiFi技術(shù)的智能家居的構(gòu)建，體驗(yàn)科技帶來(lái)的便利。