一种由WiFi智能插座构成的智能家居*

肖宛昂,苏高民,陆廷,石寅1,

(1.中国科学院半导体研究所,北京 100083; 2.灵芯微电子科技(苏州)有限公司)



肖宛昂1,2,苏高民2,陆廷2,石寅1,2

(1.中国科学院半导体研究所,北京 100083; 2.灵芯微电子科技(苏州)有限公司)

本文首先叙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术，分析了WiFi技术在智能家居中的应用优势。接着讨论了串口WiFi的功能，以WiFi插座为例，描述了串口WiFi在智能家居中的具体应用。最后叙述了基于WiFi技术的智能家居系统。

智能家居;串口WiFi; WiFi插座

引 言

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。

最常实现的应用是灯光、热水器、空调、入侵监测、烟雾报警、视频监控和窗帘的智能控制。

1 智能家居中的通信技术

1.1 有线通信控制和无线通信控制的比较

智能家居中的通信技术可以分为有线通信技术和无线通信技术。

(1) 有线控制

有线控制的结构为将控制器放置于强电箱内，开关和中控主机分别通过弱电控制线路进行控制。有线控制采用有线通信技术。

有线控制的优点：安全稳定，不受干扰；有线控制的缺点：方案设计要求高，线路架设要求高，后期拓展改动困难。

这种方式在智能家居发展初期使用较多，是从工业控制转变而来，主要适用大面积的商用场所等有专人集中管理的场所，逐渐被无线通信所替代。

(2) 无线控制

无线控制采用无线通信技术实现对设备的控制。无线控制的优点：安装和布线简单;无线控制的缺点：抗干扰性相比有线控制要差些，信号覆盖受建筑物影响。

1.2 智能家居中的无线通信技术

智能家居中的无线通信技术主要有：

① 红外通信技术；

② 433 MHz等小于1 GHz的射频技术；

③ 蓝牙技术；

④ ZigBee通信技术；

⑤ Z-Wave技术；

⑥ WiFi技术。

每种技术都有其优缺点，但不管采用哪种通信技术，如果要实现对家居设备的远程控制，设备都需要接入Internet网。而WiFi通信技术是手持终端接入Internet的主流技术，采用WiFi技术之外的其他通信技术的设备要接入Internet都需要家庭网关进行转换，例如采用ZigBee技术的智能家居系统，需要在家庭网关中增加ZigBee转WiFi的功能。

WiFi技术在智能家居中的应用的主要优点有：WiFi智能节点可以直接连接无线路由器，从而接入Internet网；不需要家庭网关，节点可以任意扩充；不会破坏现有装修；智能手机可以进行局域网控制和远程控制。

当然，WiFi技术相比ZigBee和433 MHz射频通信技术也有其缺点：功耗偏大、价格偏高。但随着节能技术的引进和芯片工艺的改进，功耗问题和价格问题已逐步得到解决。鉴于WiFi模块是笔记本、平板电脑和智能手机的标准配置，基于WiFi技术的智能家居会逐步得到推广和应用，市场前景广阔。

下面重点围绕串口WiFi模块阐述WiFi在智能家居中的应用。

2 应用于智能家居中的串口WiFi

2.1 串口WiFi概述

电脑上使用的WiFi模块或是WiFi网卡，是需要运行在操作系统的基础上，对主机的硬件资源要求很高，像一般的工业设备和家庭电器设备是不能直接驱动这样的WiFi网卡的。

串口WiFi模块，又称为嵌入式WiFi模块，是内嵌TCP/IP协议的WiFi模块。其硬件构成主要是由内嵌的一个单片机和WiFi模块构成，单片机要实现裸机驱动程序和TCP/IP协议，WiFi模块则必须完成数据的无线收发。嵌入式WiFi模块对外提供UART串口或者SPI接口，因而可以通过串口或者SPI接口和单片机连接，让设备轻松接入Internet网络。

图1是灵芯微电子科技(苏州)有限公司利用公司自主知识产权的WiFi芯片开发的SWM9001EU串口WiFi模块[3]，该模块内部集成了TCP/IP协议栈和WiFi模块，用户可以轻松实现串口设备的无线网络功能，节省开发时间，使产品更快地投入市场，增强竞争力。该模块可以广泛应用于油田、矿山、工业、智能家居以及物联网等领域。模块的机械尺寸为33 mm×20 mm×4.5 mm。

图1 SWM9001EU串口WiFi模块

2.2 SWM9001EU串口WiFi的功能和指标

(1) 基本功能

① 单操作电压为3.3 V；

② 工作电流<250 mA(节能模式下工作电流<25 mA);

休眠电流<2 mA(Switch off WiFi power)；

③ CPU主频为120 MHz，内嵌Flash 256 KB，SRAM 96 KB；

④ 两种工作模式为命令控制模式和透明传输模式；

⑤ 完整的WiFi无线通信解决方案，全面降低应用处理器的资源需求；

⑥ 多种配置方式包括模块内置WEB配置服务器、PC端配置软件配置或SCI_AT+命令配置及手机配置；

⑦ 串口波特率最大为115 200 bps。

(2) WiFi指标

① WLAN标准为IEEE802.11b/g，2.4 G ISM 频段；

② 支持Ad-Hoc方式组建无线网络；

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连接断开后自动恢复；

⑤ 模块从复位到建立WiFi网络的时间小于5 s(WEP加密方式)或10 s(WPA加密方式)。

(3) 内置TCP/IP协议

① 支持DNS域名解析服务；

② 支持DHCP自动获取IP地址，Ad-Hoc模式下自动开启DHCP服务器功能；

③ 支持网络数据传输协议TCP、UDP；

④ 支持TCP服务器模式或者客户端模式；

⑤ 作为TCP客户端时，具有TCP断线自动重连机制，保证数据传输链路稳定可靠；

⑥ 作为TCP服务器时，允许最多8个客户端的连接；

⑦ 支持UDP广播或单播。

下面以WiFi插座作为串口WiFi模块的一个具体实例进行描述。

3 WiFi插座在智能家居中的应用

3.1 WiFi插座的应用场景和系统构成

这些功能使用WiFi智能插座就可以实现:

① 回家之前先打开空调，回到家就可以享受清凉；

② 回家之前先打开热水器，回家就可以洗个热水澡；

③ 回家之前先启动咖啡机，回家可以即刻喝上新鲜出炉的咖啡。

WiFi插座的优点：费用低廉，不需要家庭网关；安装简单，不需要破环现有装饰；使用方便，可以随意扩充插座的数量；控制灵活，可以用智能手机进行远程控制。

图2是WiFi插座的应用系统构成,包括WiFi插座、无线路由器、远程服务器、手机控制终端、手机接入网络和Internet网络。

图2 WiFi插座系统构成

结合图2来看看WiFi插座的工作原理：

① 通过手机端的配置程序,配置模块要连接的路由器的名称(SSID)和密钥；

② 通过手机端的配置程序,配置模块要连接远程服务器的IP地址；

③ 配置模块上电连接远程服务器；

④ 手机等控制终端连接远程服务器，下达命令；

⑤ 远程服务器将用户指令下发给住宅中的WiFi插座；

⑥ WiFi插座完成相应的通、断动作。

3.2 WiFi插座的控制原理

WiFi插座由串口WiFi模块、继电器控制电路、继电器和输出触点构成,如图3所示。

图3 WiFi插座的构成

串口WiFi模块根据接收到的控制指令控制继电器的通断，控制电路如图4所示。

图4 WiFi插座的继电器控制电路

模块收到合上指令，PC8端口输出高电平，Q1导通，继电器的线圈有电流流过，继电器的触点L_IN和触点L_OUT吸合，插座供电给负载；

模块收到断开指令，PC8端口输出低电平，Q1截止，继电器的线圈没有电流，继电器的触点L_IN和触点L_OUT断开，插座断电。

以上只是以WiFi插座为例，叙述基于WiFi技术的智能家居，如果要实现智能家居中的其他功能，实现原理类似。例如，要实现远程视频监控，只需将插座改为摄像头并实现相应的软件功能即可。

4 基于WiFi技术的智能家居系统

基于WiFi技术的智能家居系统由WiFi智能节点、智能家居网关、无线路由器、远程服务器、控制终端、3G通信网络和Internet网络组成，如图5所示。

图5 基于WiFi的智能家居系统

结 语

随着人们生活质量的提高，智能家居的概念会越来越深入人心，而采用全套的智能家居系统的费用很高，并且对于已经交付使用的住宅来说，改造起来还很麻烦。利用WiFi智能插座，不需要家庭网关，不需要破坏现有装饰，就可以轻松实现对家用电器的智能化控制,自己动手实现基于WiFi技术的智能家居的构建，体验科技带来的便利。

[1] 向忠宏.智能家居[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[2] 中国室内装饰协会智能化委员会[EB/OL].[2013-11].http://www.cidaic.org/smarthome-product-list.htm.

[3] 灵芯集成.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

本文获“核、高、基项目-2009ZX01031-002-002:用于无线城市中个人移动宽带信息终端收发及移动电视接收多模多频射频芯片”支持。

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迪娜

2013-11-19)