李琳+安屹+閆旭

摘 要

隨著信息技術、微電子技術、高級編程語言、控制技術、多媒體技術等多種技術的協(xié)同發(fā)展，人們迎來物聯(lián)網(wǎng)和智能家居大踏步發(fā)展的時代?，F(xiàn)在的社會需要更高的智能化、更人性化的機器交互，使人們的生活以及工作更加安全、便捷、舒適。基于上述需求，本文設計的云開關手機應用可以集合某一情境（如家庭）中的所有開關控制需求，用一個簡單便捷的手機APP實現(xiàn)了對這一情境（如家庭）中所有開關設備的無線控制。通過在家庭中配以Wi-Fi智能開關，就可以通過手機APP實現(xiàn)目標AP的連接參數(shù)配置，并且可以實現(xiàn)Internet遠程控制。

【關鍵詞】智能家居 Wi-Fi無線通信 智能控制 云開關

1 引言

目前，智能家居組網(wǎng)方式多種多樣，很難有統(tǒng)一的家居組網(wǎng)方案被所有廠商接受。Wi-Fi作為商業(yè)級應用最廣泛的無線標準，比較適合作為智能家居的控制組網(wǎng)標準，門檻不高，接受程度廣泛，為云開關的推廣掃清了組網(wǎng)障礙。

本設計是基于Wi-Fi無線通信的智能開關應用系統(tǒng)，手機安裝控制應用程序之后，需要連入所在區(qū)域的Wi-Fi無線網(wǎng)絡，然后將Wi-Fi SSID和密碼發(fā)送給通電狀態(tài)下的智能云開關，云開關用該信息連接所在區(qū)域的無線路由器。點擊觸控開關，就能讓智能云開關開啟（通電）或關閉（斷電）。將手機斷開Wi-Fi連接，連上移動網(wǎng)絡，重新設置遠程操控密碼。如果要遠程控制云開關時，家里的Wi-Fi要保證正常工作且能夠訪問互聯(lián)網(wǎng)。

2 系統(tǒng)設計

本文針對云開關的設計，分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩方面的設計，下面對軟硬件系統(tǒng)的設計進行分別介紹。

2.1 硬件設計

云開關硬件分為強電和弱電設計，為了降低強電對弱電系統(tǒng)的干擾，將強弱電分成兩個單獨的模塊，從物理空間上分割開。

強電有兩個功能，一個功能是ACDC轉換，將220V交流電轉化為直流5V，負載驅動能力可達到2A；另一個功能是繼電器次級控制回路，實現(xiàn)穩(wěn)定的切換功能，觸點要有高度的可靠性。ACDC轉換模塊選用芯朋微的PN8355作為主芯片，PN8355包括高精度的恒壓、恒流原邊控制器及功率MOSFET，用于高性能、外圍元器件精簡的充電器和LED照明。PN8355工作在原邊檢測模式，可省略光耦和TL431。該芯片提供了極為全面的自恢復保護功能，包含逐周期過流保護、過壓保護、開環(huán)保護、過溫保護、輸出短路保護和CS電阻開/短路保護等。內置高壓啟動電路和極低的芯片工作電流使得系統(tǒng)能夠滿足較高的待機功耗標準。繼電器選用泰科的RTS3L系列，該系列繼電器有優(yōu)秀的切換能力和絕緣能力，完全可以滿足云開關的負載控制。ACDC轉換原理圖如圖1所示。

本文選用漢風的HF-LPT200作為Wi-Fi處理核心模塊，HF-LPT200超低功耗嵌入式Wi-Fi模組集成了MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器，嵌入式的固件支持Wi-Fi協(xié)議與配置，以及組網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議棧，支持STA/AP/STA+AP共存工作模式。設計原理圖如圖2所示。限于文章篇幅，硬件其他模塊的設計就不做贅述。

2.2 軟件設計

本文云開關的軟件應用設計分為四個部分：設置過程、發(fā)現(xiàn)過程、控制過程、云控制。下面分別介紹每個模塊的設計。

2.2.1 設置過程

目前，市面上成熟的Wi-Fi模塊的配置，一般分為Web配置與專用接口指令配置，這兩種方式都不適用目前的用戶習慣，用戶需要“傻瓜”式的配置，免輸入免選擇，這樣才能實現(xiàn)自動配置與自動控制，在這樣的需求前提下，我們用Wi-Fi自組包廣播的方式，實現(xiàn)熱點SSID以及密鑰的傳輸，這樣Wi-Fi開關收到廣播數(shù)據(jù)后，經(jīng)解密與校驗后，完成熱點的配置，從而進入接收控制指令的工作狀態(tài)。界面設計如圖3所示。

2.2.2 發(fā)現(xiàn)過程

手持設備發(fā)出二層局域網(wǎng)廣播包，云開關將以單播方式回復，一旦開關連接上所配SSID的路由器后，云開關會發(fā)出二層局域網(wǎng)廣播包通知手持設備，手持設備發(fā)出單播包到云服務器，獲取開關信息。圖4為檢測到有開關設備并連接后的應用界面。

2.2.3 控制過程

控制過程中，手持設備發(fā)出單播控制關閉或者開啟開關。Wi-Fi開關一旦完成自動配置，將與智能手機處于同一局域網(wǎng)中，這樣我們可以實現(xiàn)本地化的網(wǎng)絡控制，智能手機端基于預測理論產(chǎn)生預測控制序列，Wi-Fi開關中設置的網(wǎng)絡時延補償器利用預測控制序列的多步預測值，以此來克服網(wǎng)絡時延。

2.2.4 云控制

云開關周期發(fā)出心跳包通知云服務器，服務器記錄云開關NAT后通信管道以提供手持設備訪問。圖5為開關云控制設置界面。

2.2.5 其他功能的設計

可以建立不同的分組來管理這些開關設備，如分成一樓、二樓等，可以自行添加及建立分組；當檢測到有開關設備，會自動連接，并顯示成如圖4廚房、主臥的彩色的圖標樣式，圖標名稱、顏色、圖標圖片都允許自行設定，以便于相互區(qū)分；如要控制指定聯(lián)網(wǎng)開關，可以單擊開關按鈕或搖一搖。

3 結論

基于本文設計方案，筆者組裝好4套硬件系統(tǒng)，進行高密度Wi-Fi環(huán)境測試，并結合在Android4.4環(huán)境下的移動設備APP應用，常溫老化72個小時，測試效果非常理想，也驗證了本文設計思路的有效性和可實施性，本文的軟硬件系統(tǒng)設計方法有較強的應用價值。

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