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(diào)制，用幾百KHz的信號作為載波，把信號調(diào)制到家用交流電上進行傳輸。本系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)由信號發(fā)送裝置，控制裝置，后臺應(yīng)用程序，以及移動端APP組成。該系統(tǒng)組網(wǎng)方便，成本低，適用范圍廣，有很高的市場和應(yīng)用價值。

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)展的一個潮流，也是未來的一個發(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，這樣就必須對家電進行改造，這不是在短期內(nèi)能實現(xiàn)的，且需要淘汰現(xiàn)有的家電，這樣會導(dǎo)致資源的浪費和成本的提高，為了在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上實現(xiàn)家電的基本智能化，設(shè)計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)分為三個部分即手機APP及后臺應(yīng)用程序，信號接收發(fā)送裝置，智能開關(guān)裝置，通過此系統(tǒng)可以有效便捷的實現(xiàn)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(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)，通過手機向后臺發(fā)送控制指令，后臺經(jīng)過簡單處理后，轉(zhuǎn)發(fā)給智能硬件，以次達到跨網(wǎng)段傳輸控制指令的作用。

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：

1）實現(xiàn)跨網(wǎng)段傳輸控制指令；

2）實現(xiàn)對家電工作狀態(tài)的實時監(jiān)控；

3）實現(xiàn)對家庭用電量統(tǒng)計的功能；

4）實現(xiàn)對家電的靈活控制；

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

該系統(tǒng)的設(shè)計采用了現(xiàn)有的家庭資源，可以在不破換家庭裝修的前提下，實現(xiàn)對家電的智能控制，該系統(tǒng)的正常運行還可以監(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)主要從后臺應(yīng)用程序、移動端APP、智能硬件三部分構(gòu)成，后臺應(yīng)用程序主要功能是連接移動端APP和智能硬件并存儲數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)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(tài)并控制智能硬件，智能硬件分為信號收發(fā)裝置和智能控制裝置，信號收發(fā)裝置通過WiFi和后臺應(yīng)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(zé)接收控制指令然后控制智能家電并時刻監(jiān)視家電的工作情況，反饋給信號收發(fā)裝置，由信號收發(fā)裝置發(fā)送給后臺應(yīng)用程序。

2 系統(tǒng)功能

為了實現(xiàn)對家電的智能控制，在不改造家庭的前臺下，本系統(tǒng)設(shè)計了一款方便適用的控制裝置，它不僅可以實現(xiàn)對家電的開關(guān)，還可以實現(xiàn)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(cè)面減少了浪費。本裝置從功能實現(xiàn)上主要分為后臺應(yīng)用程序、移動端APP、信號收發(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)遠程透傳，信號的調(diào)制與解調(diào)、家電使用數(shù)據(jù)的分析以及實現(xiàn)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(xiàn)原理。

1）后臺應(yīng)用程序，后臺應(yīng)用程序采用標準java語言開發(fā)，是一個基于SSM框架搭建的一個web服務(wù)站點，本web程序主要負責(zé)用戶的登錄注冊，以及記錄各個家電的工作狀態(tài)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(fā)送控制指令。核心功能是進行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)透傳與數(shù)據(jù)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(xiàn)系統(tǒng)和人之間的人機交互功能，用戶安裝設(shè)備后，需要注冊一個賬號，注冊成功后可以通過輸入設(shè)備號或掃描設(shè)備二維碼進行設(shè)備綁定，綁定成功后就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)透傳，最好通過手機APP發(fā)送控制指令，實現(xiàn)對家電的控制功能。并可以通過手機查看設(shè)備在一周內(nèi)的耗電情況。

3）信號發(fā)送裝置，信號收發(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(diào)制方式是FSK調(diào)制方式，將數(shù)百KHz的信號作為載波，調(diào)制到家庭用電線路上，并采用OFDM技術(shù)進行擴頻。esp8266起到信號傳輸?shù)淖饔?，主要是連接家用WiFi，然后和后臺應(yīng)用程序做數(shù)據(jù)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(jiān)測模塊，控制模塊主要構(gòu)成器件是繼電器以及繼電器驅(qū)動電路組成，監(jiān)測模塊則由電流計和安全保護電路組成，電流計負責(zé)監(jiān)測電流，并統(tǒng)計家電耗電量，安全保護模塊主要是當電壓超載或者發(fā)生電路短路時斷掉電路起到保護電路的功能，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信號收發(fā)裝置進行通信，把自己的監(jiān)測結(jié)果發(fā)送給信號收發(fā)裝置，由信號收發(fā)裝置發(fā)送給后臺應(yīng)用程序，由后臺應(yīng)用程序做數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

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

3 系統(tǒng)創(chuàng)新點

本系統(tǒng)采用了WiFi與電力載波相結(jié)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(tǒng)利用家庭電力線作為信號傳輸介質(zhì)，不需要重新布線，結(jié)合WiFi又可以實現(xiàn)遠程跨網(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)闊的市場前景。

參考文獻：

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

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

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)院實驗室主任，講師。