基于電力載波和WIFI的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

楊　波,徐耀良

（上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院,上海 200090）

基于電力載波和WIFI的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

楊波,徐耀良

（上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院,上海 200090）

針對目前智能家居功能單一的特點，提出了基于WIFI和電力載波通信的智能家居控制和監(jiān)測系統(tǒng)并進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計。采用搭載Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)或平板電腦作為控制終端，以TI CC3200、電力載波模塊KQ-130f、電能計量模塊和MC9S12XS128 Freescale處理器作為控制器，搭建了智能家居實驗平臺。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，智能手機(jī)或平板電腦能夠接收到用電器信息并控制其運(yùn)行狀態(tài)。

智能家居；WIFI；電力載波；Android；MC9S12XS128；智能手機(jī)

0　引言

目前市面上的智能家居功能比較單一，大都只能控制家用電器的開關(guān)，并不能讓用戶確切的知道各電器設(shè)備的運(yùn)行狀況，缺乏安全性，且目前數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞街饕獮閃IFI、ZigBee、Bluetooth和RS485，較少的用到電力載波通信方式。傳統(tǒng)的電力載波正好可以解決無線信號衰減的問題，電力載波具有避免重新布線，信號不會因穿墻而衰減，不會影響家庭環(huán)境的美觀等優(yōu)點，可以滿足智能家居環(huán)境中的通信要求[1]。

本文是分析了現(xiàn)有智能家居的發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，選擇手機(jī)作為智能家居的開發(fā)平臺，利用WIFI模塊、Freescale處理器、電力載波模塊、電力計量模塊等，通過WIFI無線通信和電力載波通信結(jié)合的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的連接和數(shù)據(jù)的傳輸，最終實現(xiàn)家居系統(tǒng)的智能化控制。

1　智能家居系統(tǒng)總體框架

智能家居主要由移動終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、智能開關(guān)和控制單元四部分組成，其中的移動終端設(shè)備是普遍在使用的智能手機(jī)或平板電腦；傳輸設(shè)備為無線路由器；傳輸設(shè)備主要由WIFI模塊、CPU主控模塊、AC-DC電源模塊和可控硅開關(guān)模塊組成；控制單元即為家用照明設(shè)備。

本系統(tǒng)所使用的移動終端設(shè)備為搭載Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī),WIFI模塊主要是采用TICC3200方案，用于接收無線路由器和電力載波模塊發(fā)送的信息，CPU主控模塊包含F(xiàn)reescaleMC9S12XS128處理器通過SPI接口與電力載波模塊和WIFI模塊連接，讀取二者傳輸過來的信息；AC-DC電源模塊主要給CPU、電力載波模塊、WIFI模塊和固態(tài)繼電器供電；固態(tài)機(jī)電器用于控制電器的狀態(tài)[2]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　智能家居系統(tǒng)總體框圖

2　硬件實驗平臺設(shè)計

2.1 CPU主控模塊

MC9S12XS128是一款16位高性能單片機(jī)，其性能非常強(qiáng)、速度很快、價格低廉而且功耗很低，提價還非常小，極其適合家居環(huán)境。MC9S12XS128的總線速度為40MHz；具有128KB的大容量Flash存儲空間；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可在3的超短時間內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換；內(nèi)部計數(shù)器位16位，均為4通道；無論是正常運(yùn)行還是待機(jī)都非常低并具有休眠喚醒功能，其最小系統(tǒng)如圖2所示[3]。

圖2　MC9S12XS128最小化電路

2.2 WIFI模塊

本模塊采用TICC3200[4]芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，基于ARMCORtex-M4內(nèi)核。模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議和IEEE802.11b/g/n協(xié)議，用戶數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)透傳。支持2路串口和最大3條TCP連接，支持2種加密方式：數(shù)據(jù)PC1加密透傳、SSLClient加密提交，安全可靠且發(fā)送大數(shù)據(jù)包不丟字節(jié)，模塊接線圖如圖3所示。

圖3　WIFI模塊電路

2.3 電力載波模塊

KQ-130f是單列9針小體積載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。專門為220V交流電上傳輸數(shù)據(jù)，干擾大，衰減快的環(huán)境下，可靠的傳送數(shù)據(jù)而特別設(shè)計和開發(fā)的性價比很高的載波模塊。本模塊接口波特率9600bps，用戶與模塊通信采用9600bps異步方式，格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，電路如圖4所示。

2.4 電能計量模塊

HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值；SOP8封裝，體積小，廣泛應(yīng)用于智能家電、節(jié)能插座，智能路燈、智能LED燈等應(yīng)用場合。

電能計量電路原理圖如圖5所示，接線端子P1的1、2分別接零線和火線，同時零線作地線使用，2、3接口接負(fù)載，通過R29錳銅電阻采集負(fù)載上的電流，將信號發(fā)送至V1P和V1N端口。通過R21、R22、R23、R24和R26串聯(lián)的方式，將R26上分得的電壓送入V2P端口，測量負(fù)載電壓。HLW8012內(nèi)部有專門的元件計算當(dāng)前功率。P2口與單片機(jī)通信，將采集的電壓、電流、功率發(fā)送給單片機(jī)。

3　軟件設(shè)計

系統(tǒng)初始化完成之后，CPU讀取ROM中的數(shù)據(jù)來確定是否開關(guān)電器并配置電力載波和WIFI等模塊。之后系統(tǒng)讀取各電器當(dāng)前的電壓電流值，與設(shè)定好的正常工作范圍值作比較，如果不在這個范圍內(nèi)，證明電器工作異常，執(zhí)行關(guān)閉電器的操作并將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶由用戶檢查問題所在。若各電器運(yùn)行狀態(tài)良好，那么執(zhí)行接入互聯(lián)網(wǎng)的操作，連接無線路由器并獲取IP地址，檢查是否接收到用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)包，執(zhí)行數(shù)據(jù)包內(nèi)的命令并將電器開關(guān)狀態(tài)發(fā)送給用戶，設(shè)置開關(guān)定時。如果未收到用戶發(fā)來數(shù)據(jù)包，則檢查各電器開關(guān)定時時間是否已到并執(zhí)行相應(yīng)動作，繼續(xù)檢查用戶有無數(shù)據(jù)發(fā)來[5]，如圖6所示。

圖4 　電力載波模塊電路

圖5　電能計量模塊電路

圖6　軟件設(shè)計流程圖

用戶也可由系統(tǒng)自帶的觸摸板輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會優(yōu)先相應(yīng)來自觸摸板的命令，觸摸板的命令具有很高的優(yōu)先級，CPU響應(yīng)來自觸摸板的命令后控制電器的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)行電力載波模塊和WIFI模塊的配置工作。

4　實驗驗證與分析

使用AltiumDesigner繪制硬件電路原理圖，生成PCB文件并重新布線，搭建智能家居開發(fā)試驗平臺，將移動端程序和CPU主控程序分別導(dǎo)入手機(jī)和Freescale單片機(jī)模塊中，在實驗室中進(jìn)行了調(diào)試。系統(tǒng)使用手機(jī)搭載的是開源的Android操作系統(tǒng)，用戶通過手機(jī)，可以在家中實時控制電器，獲取電器運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)，及時的關(guān)斷異常電器。

圖7為電能監(jiān)測上位機(jī)調(diào)試界面，通過此上位機(jī)可以驗證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的傳輸當(dāng)前電器設(shè)備的用電信息。

圖7　電能監(jiān)測上位機(jī)界面

圖8為手機(jī)端APP界面，給家中的每個電器定義一個獨立的地址，手機(jī)通過軟件與其配對，將其加入管理系統(tǒng)中。經(jīng)過測試，手機(jī)可以家中或遠(yuǎn)程控制電器設(shè)備的開關(guān)，并且因為采用電力載波模塊，即使是在無線信號受到極大干擾的衛(wèi)生間、廚房燈地方，也能做到很準(zhǔn)確的控制。

5　結(jié)語

本文主要研究了基于電力載波和WIFI通訊方式、MC9S12XS128微處理器的智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)了對家用電器的數(shù)據(jù)采集和近遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)加入電力載波模塊，提升了通訊的穩(wěn)定性，用戶能夠隨時獲取家用電器的用電信息，根據(jù)情況選擇家電的開關(guān)狀態(tài)，是家居更加人性化并提升其安全性，系統(tǒng)安裝非常簡便，智能化程度高，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

圖8　手機(jī)端APP界面

[1]李玉平,羅友,秦會斌等.基于電力載波通信的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子器件,2014,37(03):487-492.

[2]賈陽靜,鄒念育,雷冬鳴等.基于Android和WIFI通信的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016,35(01):68-71.

[3]聶瓊,時忠明,陶杰.基于MC9S12XS128MAA的問世遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(05):409-413.

[4]郭書軍,田志鵬.基于單片WIFI MCU CC3200的無線串口[J].儀器儀表用戶,2016,23(01):24-27

[5]陳淑春，王文忠.基于ZigBee的節(jié)能門窗智能安防系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].山東工業(yè)技術(shù),2016(14):61-62

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.147

楊波（1992-），男，碩士研究生，研究方向：自動控制與檢測技術(shù)。