WiFi無線技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

貝能國際有限公司

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，局域網(wǎng)也正逐漸向無線化、多網(wǎng)合一的方向發(fā)展，在這個(gè)多網(wǎng)合一快速發(fā)展的過程中，帶動(dòng)了多種無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，WIFI便是其中的一種。

當(dāng)前，智能家居產(chǎn)業(yè)也正如火如荼地進(jìn)行，可以預(yù)見，未來智能家居的發(fā)展，將不再局限于家電設(shè)備、燈光等遙控的控制，嵌入式智能終端、無線WiFi技術(shù)，以及Internet的廣泛應(yīng)用必將使家居控制變得更加自動(dòng)化、智能化和人性化，必將改變傳統(tǒng)智能家居的模式，把智能家居推上一個(gè)快速發(fā)展的舞臺。

1 WiFi技術(shù)原理及應(yīng)用

WiFi全稱Wireless Fidelity，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速度較高，可以達(dá)到54Mbps。另外，它的有效距離也很長，在開放性區(qū)域通信距離可達(dá)305m，在封閉性區(qū)域通信距離為76～122m，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，組網(wǎng)的成本更低。

Wi－Fi技術(shù)突出的優(yōu)勢在于：

其一，無線電波的覆蓋范圍廣，WiFi的半徑則可達(dá)100m，辦公室自不用說，就是在整棟大樓中也可使用。

其二，傳輸速度非常快，可以達(dá)到11Mbps，符合個(gè)人和社會信息化的需求。

它與有線網(wǎng)絡(luò)相較之下，有許多優(yōu)點(diǎn)：

① 無需布線。WiFi最主要的優(yōu)勢在于不需要布線，可以不受布線條件的限制，因此非常適合移動(dòng)辦公用戶的需要，具有良好的市場前景。目前它已經(jīng)從傳統(tǒng)的醫(yī)療保健、庫存控制和管理服務(wù)等特殊行業(yè)向更多行業(yè)拓展開去，甚至開始進(jìn)入家庭以及教育機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。

② 健康安全。無線網(wǎng)絡(luò)使用方式并非像手機(jī)直接接觸人體，應(yīng)該是絕對安全的。

③ 組建方法簡單。一般架設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)的基本配備就是無線網(wǎng)卡及一臺AP，如此便能以無線的模式，配合既有的有線架構(gòu)來分享網(wǎng)絡(luò)資源，架設(shè)費(fèi)用和復(fù)雜程序遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)。如果只是幾臺電腦的對等網(wǎng)，也可不要AP，只需要每臺電腦配備無線網(wǎng)卡。AP為Access Point的簡稱，一般翻譯為“無線訪問節(jié)點(diǎn)”或“橋接器”。它主要在媒體存取控制（MAC）層中充當(dāng)無線工作站及有線局域網(wǎng)絡(luò)的橋梁。有了AP，就像一般有線網(wǎng)絡(luò)的Hub一般，無線工作站可以快速且輕易地與網(wǎng)絡(luò)相連。特別是對于寬帶的使用，WiFi更顯優(yōu)勢，有線寬帶網(wǎng)絡(luò)（ADSL、小區(qū)LAN等）到戶后，連接到一個(gè)AP，然后在電腦中安裝一塊無線網(wǎng)卡即可。普通的家庭有一個(gè)AP已經(jīng)足夠，甚至用戶的鄰里得到授權(quán)后，則無需增加端口，也能以共享的方式上網(wǎng)。

④ 遠(yuǎn)距離工作。別看無線WiFi的工作距離不大，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完備的情況下，802.11b的真實(shí)工作距離可以達(dá)到100m以上，而且解決了高速移動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)問題、誤碼問題，WiFi設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與基站之間的切換和安全認(rèn)證都得到了很好的實(shí)現(xiàn)。

總而言之，家庭和小型辦公網(wǎng)絡(luò)用戶對移動(dòng)連接的需求是無線局域網(wǎng)市場增長的動(dòng)力。

2 Microchip WiFi產(chǎn)品概述

Microchip的MRF24WB0MA和MRF24WB0MB是符合2.4GHz IEEE802.11的低功耗表面貼裝模塊，含有所有相關(guān)的RF元件——晶振、帶集成MAC的旁路和無源偏置電路、基帶、RF和功率放大器，以及支持AES和TKIP（WEP、WPA和 WPA2安全性）的內(nèi)置硬件。集成式模塊設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)人員可以免去RF與天線設(shè)計(jì)任務(wù)以及合規(guī)性測試，從而最終縮短上市時(shí)間。MRF24WB0MA模塊經(jīng)批準(zhǔn)可以與集成的PCB螺旋天線配合使用。MRF24WB0MB附帶超小型同軸連接器（U.FL），經(jīng)批準(zhǔn)可以與一系列通過預(yù)先認(rèn)證的天線配合使用。MRF24WB0MA／MRF24WB0MB模塊設(shè)計(jì)為與 Microchip的TCP／IP軟件協(xié)議棧配合使用。該軟件協(xié)議棧集成有驅(qū)動(dòng)程序，其實(shí)現(xiàn)的API在模塊中用于命令和控制，以及管理和數(shù)據(jù)包流量。Microchip TCP／IP軟件協(xié)議棧可 以 從 Microchip 網(wǎng) 站 （http：／／www.microchip.com／wireless）的Microchip應(yīng)用庫中免費(fèi)下載 （包括應(yīng)用示例和源代碼）。模塊與運(yùn)行TCP／IP協(xié)議棧的PIC組合在一起可支持IEEE802.11和IP服務(wù)。這樣便可立即實(shí)現(xiàn)無線Web服務(wù)器。在美國 （FCC）、加 拿 大 （IC）及歐洲（ETSI），MRF24WB0MA／MRF24WB0MB 模塊都獲得了模塊化器件的法規(guī)批準(zhǔn)。模塊化批準(zhǔn)消除了對昂貴的RF和天線設(shè)計(jì)的需求，允許最終用戶將模塊放置于成品中，而無需進(jìn)行針對人為輻射體（RF發(fā)送器）的法規(guī)測試。這兩種模塊也通過了日本的無線電類型批準(zhǔn)認(rèn)證。

3 Microchip WiFi產(chǎn)品特性

符合IEEE802.11的RF收發(fā)器；唯一的序列化MAC地址；數(shù)據(jù)速率為1Mbps和2Mbps；兼容IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.11b／g／n；21mm×31mm 的36引腳表面貼裝模塊；集成的PCB天線（MRF24WB0MA）；可選配備超小型同軸（U.FL）連接器的外部天線（MRF24WB0MB）；最大范圍為400m（1300英尺）；易于集成到最終產(chǎn)品中——加快產(chǎn)品開發(fā)，縮短上市時(shí)間；單一工作電壓為2.7～3.6V（典型值為3.3V）；溫度范圍為－20～＋85℃（擴(kuò)展商業(yè)級）；簡單的帶中斷的4線SPI接口；工作于ISM波段2.400～2.484GHz；可對14個(gè)信道進(jìn)行分別選擇或域限制；DSSS調(diào)制；數(shù)據(jù)速率為1000kbps；1Mbps時(shí)的典型靈敏度為－91dBm；使用控制功能時(shí)的典型輸出功率為＋10dBm；集成的低相位噪聲VCO、RF頻率合成器、PLL環(huán)路濾波器和PA；數(shù)字VCO和濾波器校準(zhǔn)；集成的RSSI ADC和I／Q DAC，主機(jī)可獲取RSSI讀數(shù)；平衡的接收器和發(fā)射器特性，適用于低功耗應(yīng)用 MAC／基帶特性；硬件CSMA／CA訪問控制、自動(dòng)ACK和FCS創(chuàng)建與檢查；MAC數(shù)據(jù)包自動(dòng)重發(fā)；硬件安全引擎（基于AES和RC4的加密）；支持802.1x和802.1i安全性，如 WEP、WPAPSK和 WPA－2－PSK；低電流，接收（RX）模式下為85mA（典型值），發(fā)送 （TX）模式下為154mA（＋10dBm典型值），休眠下為250μA（典型值），冬眠下為＜0.1μA（典型值）。

4 Microchip WIFI硬件方框圖

4.1 MRF24WB0MA方框圖

圖1

4.2 MRF24WB0MA／MRF24WB0MB接口說明

MRF24WB0MA／MRF24WB0MB通過一個(gè)四線串行從動(dòng)SPI接口（產(chǎn)生中斷、冬眠（Hibernate）、復(fù)位、電源和接地信號）與 Microchip PIC18、PIC24、dsPIC33或 PIC32單片機(jī)連接。模塊運(yùn)行在標(biāo)稱值為3.3V的單電源電壓上。還支持可選JTAG和串行調(diào)試功能以實(shí)現(xiàn)可測試性。調(diào)試端口工作在3.3V，需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器才能與RS－232設(shè)備配合工作。

5 在家庭智能電量分析終端中的應(yīng)用

WiFi是由AP（Access Point）和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò)，而AP是傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，因此任何一臺裝有無線網(wǎng)卡的PC均可通過AP去分享有線局域網(wǎng)絡(luò)甚至廣域網(wǎng)絡(luò)的資源，其工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)置無線發(fā)射器的HUB或者是路由，而無線網(wǎng)卡則是負(fù)責(zé)接收由AP所發(fā)射信號的CLIENT端設(shè)備。

相比較傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)采用的有線布網(wǎng)方式，WiFi技術(shù)的應(yīng)用可減少布線麻煩，具有更好的可擴(kuò)展性、移動(dòng)性。因此采用無線智能控制模式是智能家居發(fā)展的必然選擇。

下面以 Wi－Fi Power Control Box為例，講解 MRF24－WB0M在智能家居中的應(yīng)用。圖2為 Wi－Fi Power Control Box框圖。

圖2

此方案數(shù)據(jù)流向：MCP3909采集電壓、電流，送給PIC24FJ256GA108并計(jì)算出功率，再通過MRF24WB0M將數(shù)據(jù)送到Internet中，服務(wù)器端可以通過PC登錄到固定網(wǎng)址查看家里用電情況，同時(shí)可以遠(yuǎn)程控制家里電器開啟或是關(guān)閉，進(jìn)而達(dá)到智能控制家用電器的目的。

Microchip WiFi除了在智能家居中的應(yīng)用外，還在工業(yè)控制、POS終端、醫(yī)療等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。

總之，通過WiFi技術(shù)的運(yùn)用，可以成功地控制智能家居的各種設(shè)備，提供比傳統(tǒng)智能家居更舒適、安全、便捷的智能家居生活空間，優(yōu)化了人們的生活方式，從而給用戶帶來了全新、舒適的家居生活。