張正華，徐 楊，劉 平，顧 駿，呂東方

基于WiFi和電力載波的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

張正華，徐 楊，劉 平，顧 駿，呂東方

（揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

現(xiàn)有的智能家居組網(wǎng)方式中有線組網(wǎng)不易施工、工程量大，而無線組網(wǎng)則有功耗大、輻射大等缺點。針對這一問題，提出了一種基于WiFi和低壓電力載波通信相結(jié)合的全新智能家居組網(wǎng)方案。重點闡述了整個家居系統(tǒng)的設(shè)計、WiFi與低壓電力載波的融合、電力載波終端模塊及控制終端軟件的設(shè)計等。經(jīng)實際測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了2種通信技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，可以實時監(jiān)測家電設(shè)備的狀態(tài)并進(jìn)行控制，實時性和可靠性高，具有較好的市場前景。

智能家居；PLC；無線局域網(wǎng)；組網(wǎng)方式

引用格式：張正華，徐 楊，劉 平，等.基于WiFi和電力載波的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.無線電工程，2016，46（5）：9-11，44.

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)［1］以及各種傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對衣食住行各個方面的要求逐漸提高，其中“智能家居”的概念已經(jīng)在近幾年深入人心。

WiKi百科給出了關(guān)于“智能家居”［2］的具體化概念：即以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)和管理為一體的高效、舒適、安全、便利和環(huán)保的居住環(huán)境。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著技術(shù)實現(xiàn)方式的不斷豐富，其發(fā)展也趨于多樣化。目前，國內(nèi)外很多企業(yè)和高校都在智能家居領(lǐng)域開展了深入研究與試驗。其中，文獻(xiàn)［3］提出了一種基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計，這種方式簡單實用并且成本較低，但是功能單一，并且用戶只能通過固定的短信格式來操作，沒有良好的家居體驗；文獻(xiàn)［4］提出了一種利用433無線模塊來搭建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，這種方式使得內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)具有了低成本、低功耗和小尺寸封裝等優(yōu)點，但外部網(wǎng)絡(luò)還是利用GSM的局限性沒有得到改變；文獻(xiàn)［5-6］提出了將電力載波（Power Line Communication，PLC）應(yīng)用于智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，并對比了PLC相對于以太網(wǎng)、電話線及無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，但也僅局限于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，沒有對智能家居的整體結(jié)構(gòu)做出闡述；文獻(xiàn)［7］提出了一種基于ZigBee和PLC的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案，這一方法在一定程度上對2種技術(shù)實現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)，也是一種較好的可行方案，但ZigBee技術(shù)由于其普及性和WiFi的同頻干擾等問題［8］，在具體進(jìn)入到家庭的階段會有很大阻礙。介于以往智能家居中組網(wǎng)技術(shù)的種種局限性，提出一種基于WiFi和PLC的智能家居組網(wǎng)技術(shù)，WiFi有著普及性廣以及得天獨厚的連入因特網(wǎng)的優(yōu)勢，PLC則有著無需重新布線、對舊家居改造量小的優(yōu)點，將二者結(jié)合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，為建設(shè)高效、便捷和智能的家居系統(tǒng)提供了一種現(xiàn)實可行的良好方案。

1 智能家居網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

1.1 WiFi技術(shù)及無線模塊WG1300

WiFi又稱無線相容性認(rèn)證，是一種設(shè)備不用通過電線而實現(xiàn)連接的方式［9］。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭、企業(yè)及其他公共場所等，其主要原理是利用電磁波來實現(xiàn)不同設(shè)備在同一無線網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸與共享，常見的發(fā)送設(shè)備包括天線和路由器，接收設(shè)備則包括配有無線接收器的筆記本、平板電腦以及手機(jī)等。

目前市面上存在著形形色色滿足不同功能需求的WiFi芯片模組，經(jīng)過調(diào)研和測試了各種WiFi透傳模塊后，本系統(tǒng)最終采用了WG1300-UART-S0型WiFi透傳模塊，這是一款低成本、低功耗的集成一鍵式配置，P2P遠(yuǎn)程協(xié)議棧的微小體積的串口轉(zhuǎn)WiFi透傳模塊，其核心芯片為TI司出品的CC3000。其特點是功能強(qiáng)大、配置簡單，可一鍵配置內(nèi)置的云端P2P，可實現(xiàn)串口和WiFi之間的無縫、透明傳輸。

1.2 PLC技術(shù)及載波芯片HT8550

電力線載波［10］是指利用載波方式將模擬或數(shù)字信號在現(xiàn)有的電力線中進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，其最大的特點是不需要像其他通信方式一樣重新架設(shè)專門的信號傳輸線路。從原理上來說，這是一種只要有電線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的通信方式。因此，在智能家居領(lǐng)域，尤其是對原有家電的改造方面，它有著其他通信方式無可比擬的優(yōu)勢，即家電設(shè)備只要在內(nèi)部配備電力線載波通信模塊，無需再架設(shè)其他的信號通道便可實現(xiàn)改造。然而，電力線的設(shè)計初衷是用來傳輸電能，與其他專門的通信信道和傳輸介質(zhì)相比，其信道環(huán)境較為復(fù)雜，噪聲干擾較為嚴(yán)重，因此采用PLC技術(shù)搭建通信網(wǎng)絡(luò)時必須建立一個可靠、實時的載波通訊機(jī)制。通過查閱大量文獻(xiàn)和試驗可知，在電力載波通信中，信噪比對信號傳輸距離以及傳輸可靠性等因素有很大的影響，而改善信噪比的重點則在于所采用的低壓電力線載波芯片。

HT8550是一種比較出色的、能適合家用電網(wǎng)復(fù)雜情況的PLC數(shù)據(jù)通訊芯片，將模擬電路、數(shù)字信號處理器以及8051 MCU完全在單芯片上實現(xiàn)。HT8550采用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制解調(diào)方式、高效可靠的前向糾錯技術(shù)以及靈活可配的傳輸模式，使其可以在信號衰減嚴(yán)重以及脈沖干擾強(qiáng)烈的電力線環(huán)境下實現(xiàn)自適應(yīng)可靠通信。此外，HT8550與其他電力載波的芯片相比，還有一大優(yōu)點，傳統(tǒng)的大部分電力載波芯片只能實現(xiàn)信號的傳輸，沒有信號處理功能，而 HT8550在內(nèi)部集成了 8051內(nèi)核，因此其可以獨立完成MAC層及以上協(xié)議層所需的大部分功能及應(yīng)用。

1.3 基于WiFi和PLC的組網(wǎng)方式

針對路由器，即WiFi已經(jīng)廣泛存在于家庭、公司中的情況，提出一種新的智能家居組網(wǎng)方式，即PLC與WiFi相結(jié)合的組網(wǎng)方式，設(shè)計了AP熱點模塊作為實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)和電力線相互連通的橋梁。整個通信系統(tǒng)如圖1所示，AP熱點接收來自控制終端（如手機(jī)、平板電腦和上位機(jī)）的命令并將其下發(fā)給指定的PLC終端。PLC終端連接設(shè)備，接收來自控制終端的命令從而控制設(shè)備，同時也查詢設(shè)備的狀態(tài)并通過AP熱點反饋給控制終端。

圖1　智能家居網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件的設(shè)計

2.1 低壓電力載波模塊設(shè)計

PLC模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　PLC模塊結(jié)構(gòu)

低壓電力載波模塊的主要功能是實現(xiàn)信號的調(diào)制解調(diào)，既可以將數(shù)字信號調(diào)制成擴(kuò)頻載波信號并傳輸?shù)?20 V交流電力線上，也可以將從220 V交流電力線上接收到的載波信號解調(diào)出來并進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時配有隔離強(qiáng)弱電、過零檢測、信號放大和信號指示等起輔助功能的電路。PLC模塊組成結(jié)構(gòu)主要包括HT8550載波芯片及其驅(qū)動電路、電源電路、選頻濾波電路、信號耦合電路、過零檢測電路、外部晶振電路、紅外收發(fā)電路、485/UART轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、EEROM外部存儲電路和指示燈等。

2.2 AP熱點模塊設(shè)計

AP熱點模塊為本系統(tǒng)的中樞部分，其主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由WiFi芯片、PLC芯片和相關(guān)外圍電路組合而成，可以將WiFi信號轉(zhuǎn)換為電力線載波信號在室內(nèi)控制家用電器，完美地實現(xiàn)了電力線載波通信與互聯(lián)網(wǎng)之間的互聯(lián)互通，解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無法對室內(nèi)電力線通信控制的難題，讓用戶可以通過終端客戶端方便地將控制信號傳輸?shù)郊依锏碾娏€上，進(jìn)而控制智能家居設(shè)備。

圖3　AP熱點模塊

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

3.1 下位機(jī)軟件的設(shè)計

在下位機(jī)系統(tǒng)軟件程序流程中，系統(tǒng)上電后，應(yīng)用層代碼會先執(zhí)行 EUI地址分配和獲取，完成后，應(yīng)用層狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)。當(dāng)控制端請求發(fā)送數(shù)據(jù)到電力線上時，應(yīng)用層執(zhí)行步驟：控制端下發(fā)命令的解析，應(yīng)用層數(shù)據(jù)組幀，發(fā)送數(shù)據(jù)給PHY層或者NET層，設(shè)置超時時間，等待數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，如果成功或者超時，則應(yīng)用層回到空閑狀態(tài)。

應(yīng)用層從電力線接收數(shù)據(jù)流程：查詢PHY層或者NET層的給出的事件，接收PHY層或者NET層的數(shù)據(jù)，應(yīng)用層數(shù)據(jù)解析，如果下一步操作為上報數(shù)據(jù)，則上報數(shù)據(jù)到控制端，應(yīng)用層狀態(tài)跳到空閑狀態(tài)。

數(shù)據(jù)格式的例舉：以控制燈的開關(guān)為例，數(shù)據(jù)發(fā)送格式為：控制碼統(tǒng)一為0x01，數(shù)據(jù)位長度為1。從左往右，第 1位代表控制燈是開還是關(guān)，0代表關(guān)，1代表開；第2～8位代表燈的序號，例如：000 000 1表示1號燈；000 001 0表示2號燈；000 011 0表示6號燈，以此類推。舉例如下：

控制1號燈開，發(fā)送命令：0x68［MAC］0x68 0x01 0x01 0x81 CS 0x16；

控制3號燈關(guān)，發(fā)送命令：0x68［MAC］0x68 0x01 0x01 0x03 CS 0x16。

3.2 控制終端軟件的設(shè)計

控制終端軟件是實現(xiàn)用戶智能控制的工具，處于整個系統(tǒng)體系的最上層，是與用戶直接交互的設(shè)備，所以友好的界面設(shè)計和方便直觀的操作體驗是本軟件設(shè)計的首要原則［11］。根據(jù)智能家居系統(tǒng)的功能需求［12］，用戶的體驗習(xí)慣等分析，設(shè)計了基于Android的控制終端軟件，軟件的主體結(jié)構(gòu)分為賬戶管理、設(shè)備模塊管理和AP模塊管理等3個主要功能模塊。終端控制軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用設(shè)計如圖4所示。

圖4　控制終端軟件流程

4 測試結(jié)果分析

在通信系統(tǒng)的實時性和可靠性方面測試記錄如表1所示。

表1　測試記錄

表1中的數(shù)據(jù)是對5 m、10 m、20 m、50 m和100 m處的裝有PLC模塊的燈具分別進(jìn)行100次開關(guān)試驗，并通過串口監(jiān)測燈的響應(yīng)時間。通過比較不同距離的燈的響應(yīng)時間，得出結(jié)論：本系統(tǒng)可以滿足智能家居系統(tǒng)的通信要求以及一些實時性要求較高的場所。

5 結(jié)束語

如果單獨將WiFi或者PLC技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中，其固有的缺點都不能滿足智能家居系統(tǒng)的要求，將2種技術(shù)結(jié)合成新的智能家居組網(wǎng)方式和系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，既可以利用WiFi的普及性廣、低成本和組網(wǎng)靈活等特點，又充分發(fā)揮了PLC特有的無需重新布線、改造量小的特點，不僅適用于新家居的建設(shè)，同時也適用于對現(xiàn)有住宅的改造，充分體現(xiàn)了智能家居理念中節(jié)能減排、以人為本這一宗旨。因此基于WiFi和PLC的智能家居控制系統(tǒng)具有較好的研究價值和市場前景。

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Design of Smart Home Control System Based on WiFi and PLC

ZHANG Zheng-hua，XU Yang，LIU Ping，GU Jun，LV Dong-fang
（School of Information Engineering，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127，China）

Among the existing network modes in smart home，wired network is not easy to construct and the workload is heavy，and wireless network has shortcomings such as high power and high radiation.In order to solve this problem，this paper proposes a new network scheme for smart home based on WiFi and low voltage power carrier communication.This paper describes the design of the whole household system，the combination of WiFi and power line communication，the design of electric power carrier terminal module and control terminal software and so on.Actual tests prove the system realizes the complementary advantages of the two kinds of communication technology.The system can monitor the state of the electronic equipment and control them in real time reliably.It will have a good market prospect.

smart home；power line communication；wireless local area network；network mode

TN391.41

A

1003-3106（2016）05-0009-03

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.03

2016-01-27

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金（前瞻性聯(lián)合研究）資助項目（BY2013063-10）；江蘇省揚(yáng)州市產(chǎn)學(xué)研合作專項-與揚(yáng)州大學(xué)合作項目（2012038-8）。

張正華 男，（1965—），碩士，副教授。主要研究方向：視頻圖像處理及編解碼、實時信號處理等。

徐 楊 男，（1990—），碩士研究生。主要研究方向：實時信號處理。