基于WiFi和电力载波的智能家居控制系统设计

张正华，徐 杨，刘 平，顾 骏，吕东方

基于WiFi和电力载波的智能家居控制系统设计

张正华，徐 杨，刘 平，顾 骏，吕东方

（扬州大学信息工程学院，江苏扬州225127）

现有的智能家居组网方式中有线组网不易施工、工程量大，而无线组网则有功耗大、辐射大等缺点。针对这一问题，提出了一种基于WiFi和低压电力载波通信相结合的全新智能家居组网方案。重点阐述了整个家居系统的设计、WiFi与低压电力载波的融合、电力载波终端模块及控制终端软件的设计等。经实际测试，该系统实现了2种通信技术的优势互补，可以实时监测家电设备的状态并进行控制，实时性和可靠性高，具有较好的市场前景。

智能家居；PLC；无线局域网；组网方式

引用格式：张正华，徐 杨，刘 平，等.基于WiFi和电力载波的智能家居控制系统设计［J］.无线电工程，2016，46（5）：9-11，44.

0 引言

随着物联网［1］以及各种传感器技术、无线网络通信技术的不断发展，人们对衣食住行各个方面的要求逐渐提高，其中“智能家居”的概念已经在近几年深入人心。

WiKi百科给出了关于“智能家居”［2］的具体化概念：即以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务和管理为一体的高效、舒适、安全、便利和环保的居住环境。进入21世纪后，随着技术实现方式的不断丰富，其发展也趋于多样化。目前，国内外很多企业和高校都在智能家居领域开展了深入研究与试验。其中，文献［3］提出了一种基于GSM短信的智能家居控制系统的设计，这种方式简单实用并且成本较低，但是功能单一，并且用户只能通过固定的短信格式来操作，没有良好的家居体验；文献［4］提出了一种利用433无线模块来搭建家庭内部网络的设计方案，这种方式使得内部网络具有了低成本、低功耗和小尺寸封装等优点，但外部网络还是利用GSM的局限性没有得到改变；文献［5-6］提出了将电力载波（Power Line Communication，PLC）应用于智能家居内部网络中，并对比了PLC相对于以太网、电话线及无线网络的优点，但也仅局限于内部网络，没有对智能家居的整体结构做出阐述；文献［7］提出了一种基于ZigBee和PLC的智能家居系统设计方案，这一方法在一定程度上对2种技术实现了优势互补，也是一种较好的可行方案，但ZigBee技术由于其普及性和WiFi的同频干扰等问题［8］，在具体进入到家庭的阶段会有很大阻碍。介于以往智能家居中组网技术的种种局限性，提出一种基于WiFi和PLC的智能家居组网技术，WiFi有着普及性广以及得天独厚的连入因特网的优势，PLC则有着无需重新布线、对旧家居改造量小的优点，将二者结合，充分发挥二者的优势，为建设高效、便捷和智能的家居系统提供了一种现实可行的良好方案。

1 智能家居网络的架构

1.1 WiFi技术及无线模块WG1300

WiFi又称无线相容性认证，是一种设备不用通过电线而实现连接的方式［9］。目前已经广泛应用于家庭、企业及其他公共场所等，其主要原理是利用电磁波来实现不同设备在同一无线网络间的数据传输与共享，常见的发送设备包括天线和路由器，接收设备则包括配有无线接收器的笔记本、平板电脑以及手机等。

目前市面上存在着形形色色满足不同功能需求的WiFi芯片模组，经过调研和测试了各种WiFi透传模块后，本系统最终采用了WG1300-UART-S0型WiFi透传模块，这是一款低成本、低功耗的集成一键式配置，P2P远程协议栈的微小体积的串口转WiFi透传模块，其核心芯片为TI司出品的CC3000。其特点是功能强大、配置简单，可一键配置内置的云端P2P，可实现串口和WiFi之间的无缝、透明传输。

1.2 PLC技术及载波芯片HT8550

电力线载波［10］是指利用载波方式将模拟或数字信号在现有的电力线中进行高速传输的技术，其最大的特点是不需要像其他通信方式一样重新架设专门的信号传输线路。从原理上来说，这是一种只要有电线就能进行数据传递的通信方式。因此，在智能家居领域，尤其是对原有家电的改造方面，它有着其他通信方式无可比拟的优势，即家电设备只要在内部配备电力线载波通信模块，无需再架设其他的信号通道便可实现改造。然而，电力线的设计初衷是用来传输电能，与其他专门的通信信道和传输介质相比，其信道环境较为复杂，噪声干扰较为严重，因此采用PLC技术搭建通信网络时必须建立一个可靠、实时的载波通讯机制。通过查阅大量文献和试验可知，在电力载波通信中，信噪比对信号传输距离以及传输可靠性等因素有很大的影响，而改善信噪比的重点则在于所采用的低压电力线载波芯片。

HT8550是一种比较出色的、能适合家用电网复杂情况的PLC数据通讯芯片，将模拟电路、数字信号处理器以及8051 MCU完全在单芯片上实现。HT8550采用正交频分复用（OFDM）调制解调方式、高效可靠的前向纠错技术以及灵活可配的传输模式，使其可以在信号衰减严重以及脉冲干扰强烈的电力线环境下实现自适应可靠通信。此外，HT8550与其他电力载波的芯片相比，还有一大优点，传统的大部分电力载波芯片只能实现信号的传输，没有信号处理功能，而 HT8550在内部集成了 8051内核，因此其可以独立完成MAC层及以上协议层所需的大部分功能及应用。

1.3 基于WiFi和PLC的组网方式

针对路由器，即WiFi已经广泛存在于家庭、公司中的情况，提出一种新的智能家居组网方式，即PLC与WiFi相结合的组网方式，设计了AP热点模块作为实现无线网络和电力线相互连通的桥梁。整个通信系统如图1所示，AP热点接收来自控制终端（如手机、平板电脑和上位机）的命令并将其下发给指定的PLC终端。PLC终端连接设备，接收来自控制终端的命令从而控制设备，同时也查询设备的状态并通过AP热点反馈给控制终端。

图1　智能家居网络架构

2 系统关键硬件的设计

2.1 低压电力载波模块设计

PLC模块结构如图2所示。

图2　PLC模块结构

低压电力载波模块的主要功能是实现信号的调制解调，既可以将数字信号调制成扩频载波信号并传输到220 V交流电力线上，也可以将从220 V交流电力线上接收到的载波信号解调出来并进行相应的处理，同时配有隔离强弱电、过零检测、信号放大和信号指示等起辅助功能的电路。PLC模块组成结构主要包括HT8550载波芯片及其驱动电路、电源电路、选频滤波电路、信号耦合电路、过零检测电路、外部晶振电路、红外收发电路、485/UART转换电路、功率放大电路、EEROM外部存储电路和指示灯等。

2.2 AP热点模块设计

AP热点模块为本系统的中枢部分，其主要结构如图3所示。主要由WiFi芯片、PLC芯片和相关外围电路组合而成，可以将WiFi信号转换为电力线载波信号在室内控制家用电器，完美地实现了电力线载波通信与互联网之间的互联互通，解决了异构网络无法对室内电力线通信控制的难题，让用户可以通过终端客户端方便地将控制信号传输到家里的电力线上，进而控制智能家居设备。

图3　AP热点模块

3 系统软件的设计

3.1 下位机软件的设计

在下位机系统软件程序流程中，系统上电后，应用层代码会先执行 EUI地址分配和获取，完成后，应用层状态跳转到空闲状态。当控制端请求发送数据到电力线上时，应用层执行步骤：控制端下发命令的解析，应用层数据组帧，发送数据给PHY层或者NET层，设置超时时间，等待数据是否发送成功，如果成功或者超时，则应用层回到空闲状态。

应用层从电力线接收数据流程：查询PHY层或者NET层的给出的事件，接收PHY层或者NET层的数据，应用层数据解析，如果下一步操作为上报数据，则上报数据到控制端，应用层状态跳到空闲状态。

数据格式的例举：以控制灯的开关为例，数据发送格式为：控制码统一为0x01，数据位长度为1。从左往右，第 1位代表控制灯是开还是关，0代表关，1代表开；第2～8位代表灯的序号，例如：000 000 1表示1号灯；000 001 0表示2号灯；000 011 0表示6号灯，以此类推。举例如下：

控制1号灯开，发送命令：0x68［MAC］0x68 0x01 0x01 0x81 CS 0x16；

控制3号灯关，发送命令：0x68［MAC］0x68 0x01 0x01 0x03 CS 0x16。

3.2 控制终端软件的设计

控制终端软件是实现用户智能控制的工具，处于整个系统体系的最上层，是与用户直接交互的设备，所以友好的界面设计和方便直观的操作体验是本软件设计的首要原则［11］。根据智能家居系统的功能需求［12］，用户的体验习惯等分析，设计了基于Android的控制终端软件，软件的主体结构分为账户管理、设备模块管理和AP模块管理等3个主要功能模块。终端控制软件系统的结构用设计如图4所示。

图4　控制终端软件流程

4 测试结果分析

在通信系统的实时性和可靠性方面测试记录如表1所示。

表1　测试记录

表1中的数据是对5 m、10 m、20 m、50 m和100 m处的装有PLC模块的灯具分别进行100次开关试验，并通过串口监测灯的响应时间。通过比较不同距离的灯的响应时间，得出结论：本系统可以满足智能家居系统的通信要求以及一些实时性要求较高的场所。

5 结束语

如果单独将WiFi或者PLC技术应用于智能家居系统中，其固有的缺点都不能满足智能家居系统的要求，将2种技术结合成新的智能家居组网方式和系统，就可以实现优势互补，既可以利用WiFi的普及性广、低成本和组网灵活等特点，又充分发挥了PLC特有的无需重新布线、改造量小的特点，不仅适用于新家居的建设，同时也适用于对现有住宅的改造，充分体现了智能家居理念中节能减排、以人为本这一宗旨。因此基于WiFi和PLC的智能家居控制系统具有较好的研究价值和市场前景。

［1］ 申 斌，张桂青，汪 明，等.基于物联网的智能家居设计与实现［J］.自动化与仪表，2013（2）：6-10.

［2］ 童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析［J］.移动通信，2010（9）：16-20.

［3］ 潘 朝，罗小巧，黄 佳，等.基于GSM短信的智能家居控制系统的设计［J］.电子测量技术，2013，36（6）：121-124.

［4］ 颜丙洋.基于433 MHz模块的远程抄表安全系统设计与实现［D］.济南：山东师范大学，2014.

［5］ 覃世欢，吴光敏.电力载波在智能家居内部网络中的应用［J］.微处理机，2012（2）：35-38.

［6］ 郝 婕，李 超.电力载波通讯网络技术在智能家居系统中的应用［J］.浙江万里学院学报，2007（3）：71-74.

［7］ 周旭坤，杨冠鲁.基于ZigBee和PLC技术的智能家居系统的研究［J］.微型机与应用，2013，32（9）：38-41.

［8］ 周 祥.基于WiFi-PLC的智能家居控制系统的设计与实现［D］.扬州：扬州大学，2014.

［9］ HAN Ting，HAN Bing-jun，ZHANG Ling.Coexistence Study for WiFi and ZigBee under Smart Home Scenarios ［J］.Network Infrastructure and Digital Content（ICNIDC），2012 3rd IEEE International Conference，2012：669-674.

［10］HAN Jin-soo，CHOI Chang-sic，PARK Wan-ki.Smart Home Energy Management System Including Renewable Energy Based on ZigBee and PLC［J］.Consumer Electronics，IEEE Transactions on，2014，60（2）：198-202.

［11］黄 宇.面向智能家居的安卓控制系统设计与实现［D］.武汉：华中科技大学，2013.

［12］吴必造.基于Linux的智能家居控制终端系统的设计与实现［D］.西安：电子科技大学，2013.

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

江苏省产学研联合创新基金（前瞻性联合研究）资助项目（BY2013063-10）；江苏省扬州市产学研合作专项-与扬州大学合作项目（2012038-8）。

张正华 男，（1965—），硕士，副教授。主要研究方向：视频图像处理及编解码、实时信号处理等。

徐 杨 男，（1990—），硕士研究生。主要研究方向：实时信号处理。