肖宛昂,蘇高民,陸廷,石寅1,

(1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083; 2.靈芯微電子科技(蘇州)有限公司)

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肖宛昂1,2,蘇高民2,陸廷2,石寅1,2

(1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083; 2.靈芯微電子科技(蘇州)有限公司)

本文首先敘述了智能家居的基本概念以及分析了智能家居中的通信技術(shù)，分析了WiFi技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用優(yōu)勢。接著討論了串口WiFi的功能，以WiFi插座為例，描述了串口WiFi在智能家居中的具體應(yīng)用。最后敘述了基于WiFi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。

智能家居;串口WiFi; WiFi插座

引 言

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[1]。

最常實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用是燈光、熱水器、空調(diào)、入侵監(jiān)測、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)，開關(guān)和中控主機(jī)分別通過弱電控制線路進(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)：方案設(shè)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，主要適用大面積的商用場所等有專人集中管理的場所，逐漸被無線通信所替代。

(2) 無線控制

無線控制采用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。無線控制的優(yōu)點(diǎn)：安裝和布線簡單;無線控制的缺點(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 智能家居中的無線通信技術(shù)

智能家居中的無線通信技術(shù)主要有：

① 紅外通信技術(shù)；

② 433 MHz等小于1 GHz的射頻技術(shù)；

③ 藍(lán)牙技術(shù)；

④ ZigBee通信技術(shù)；

⑤ Z-Wave技術(shù)；

⑥ WiFi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)，功耗問題和價(jià)格問題已逐步得到解決。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芯片開發(fā)的SWM9001EU串口WiFi模塊[3]，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)備的無線網(wǎng)絡(luò)功能，節(jié)省開發(fā)時(shí)間，使產(chǎn)品更快地投入市場，增強(qiáng)競爭力。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)；

③ CPU主頻為120 MHz，內(nèi)嵌Flash 256 KB，SRAM 96 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)

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

② 支持Ad-Hoc方式組建無線網(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；

④ WiFi連接斷開后自動(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TCP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TCP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 回家之前先打開空調(diào)，回到家就可以享受清涼；

② 回家之前先打開熱水器，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來看看WiFi插座的工作原理：

① 通過手機(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；

⑥ WiFi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，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；

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

隨著人們生活質(zhì)量的提高，智能家居的概念會(huì)越來越深入人心，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)交付使用的住宅來說，改造起來還很麻煩。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)科技帶來的便利。

[1] 向忠宏.智能家居[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[2] 中國室內(nèi)裝飾協(xié)會(huì)智能化委員會(huì)[EB/OL].[2013-11].http://www.cidaic.org/smarthome-product-list.htm.

[3] 靈芯集成.SWM9001EUx Datasheet, 2013.

Xiao Wan’ang1,2, Su Gaomin2, Lu Ting2,Shi Yin1,2

(1.Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China; 2. SmartChip Integration)

The definition of the smart home is presented and the communication methods in the smart home are discussed. Then the advantage of adapting WiFi technology is analyzed. The UART WiFi is described. WiFi plug as an application example of UART WiFi is used in smart home, and discussed in detail. At last, a kind of smart home based on WiFi technology is presented and analyzed.

smart home; UART WiFi; WiFi plug

本文獲“核、高、基項(xiàng)目-2009ZX01031-002-002:用于無線城市中個(gè)人移動(dòng)寬帶信息終端收發(fā)及移動(dòng)電視接收多模多頻射頻芯片”支持。

TP2

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迪娜

2013-11-19)