基于WiFi和电力载波的智能家居控制系统

胡桐嘉 贾继康 刘豪 刘雪峰 孙文汇

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714010

摘要：本设计是一款基于WiFi和电力载波的智能家居控制器，主控采用的是STM32F103低功耗单片机，WiFi采用的是安信可公司的esp8266，电力载波用的是过零调制，用几百KHz的信号作为载波，把信号调制到家用交流电上进行传输。本系统可以远程控制家里的电器，并检测家电的工作情况，利用电力载波技术弥补了WiFi信号覆盖范围不足的情况，宽展了通信范围。本系统由信号发送装置，控制装置，后台应用程序，以及移动端APP组成。该系统组网方便，成本低，适用范围广，有很高的市场和应用价值。

关键词：电力载波；esp8266；智能家居

由于互联网+的提出，智能家居是现在发展的一个潮流，也是未来的一个发展方向，想要使家电智能化，就要求家电具有相互通信的功能，这样就必须对家电进行改造，这不是在短期内能实现的，且需要淘汰现有的家电，这样会导致资源的浪费和成本的提高，为了在现有的基础上实现家电的基本智能化，设计了一种基于电力载波和WiFi技术的智能家居控制系统，此系统分为三个部分即手机APP及后台应用程序，信号接收发送装置，智能开关装置，通过此系统可以有效便捷的实现家电的智能化，它利用家庭用电线路传输信号，充分挖掘了家庭电力线新的使用价值，同时采用WiFi弥补了电力载波移动性差的问题。本方案适用于绝大多数家庭，利用现有的家庭电力线，并辅以WiFi技术作为无线传输方案，采用嵌入式应用程序开发，通过手机向后台发送控制指令，后台经过简单处理后，转发给智能硬件，以次达到跨网段传输控制指令的作用。

该系统主要实现的功能有：

1）实现跨网段传输控制指令；

2）实现对家电工作状态的实时监控；

3）实现对家庭用电量统计的功能；

4）实现对家电的灵活控制；

5）在网络不通的情况，自动切换为局域网控制模式。

该系統的设计采用了现有的家庭资源，可以在不破换家庭装修的前提下，实现对家电的智能控制，该系统的正常运行还可以监控家电，解决生活中存在的用电安全隐患，此系统适合多数家庭使用，能让低收入的家庭也能享受智能家电带来的快感，提升人们生活幸福度。

1 系统总体方案

本系统主要从后台应用程序、移动端APP、智能硬件三部分构成，后台应用程序主要功能是连接移动端APP和智能硬件并存储数据做数据分析，移动端APP是一个人机交互平台，用户可以通过手机查看智能硬件的工作状态并控制智能硬件，智能硬件分为信号收发装置和智能控制装置，信号收发装置通过WiFi和后台应用程序进行通信，并把信号加载到电力线上进行传播；智能控制装置负责接收控制指令然后控制智能家电并时刻监视家电的工作情况，反馈给信号收发装置，由信号收发装置发送给后台应用程序。

2 系统功能

为了实现对家电的智能控制，在不改造家庭的前台下，本系统设计了一款方便适用的控制装置，它不仅可以实现对家电的开关，还可以实现对家电工作情况以及耗电情况的分析，给出合适的使用建议，既保证了家庭用电安全，又从侧面减少了浪费。本装置从功能实现上主要分为后台应用程序、移动端APP、信号收发装置、智能控制装置4部分组成，从功能上划分分为数据远程透传，信号的调制与解调、家电使用数据的分析以及实现对家电控制的核心功能。下面分别阐述各个功能模块的实现原理。

1）后台应用程序，后台应用程序采用标准java语言开发，是一个基于SSM框架搭建的一个web服务站点，本web程序主要负责用户的登录注册，以及记录各个家电的工作状态以及耗电情况，当用户通过移动端接入本平台时，首先需要要求用户登录，登录成功后，可以读取各个模块的工作情况，并可以向各个模块发送控制指令。核心功能是进行数据网络透传与数据分析。

2）移动端APP，移动端APP主要分为iPhone端APP和Android端APP，移动端APP主要功能是实现系统和人之间的人机交互功能，用户安装设备后，需要注册一个账号，注册成功后可以通过输入设备号或扫描设备二维码进行设备绑定，绑定成功后就可以实现数据的网络透传，最好通过手机APP发送控制指令，实现对家电的控制功能。并可以通过手机查看设备在一周内的耗电情况。

3）信号发送装置，信号收发装置主控芯片采用的是STM32F103芯片，并辅以电力载波模块与esp8266串口WiFi模块，电力载波模块通过串口2与主控芯片进行通信，esp8266通过串口1与主控芯片进行通信，电力载波模块采用的调制方式是FSK调制方式，将数百KHz的信号作为载波，调制到家庭用电线路上，并采用OFDM技术进行扩频。esp8266起到信号传输的作用，主要是连接家用WiFi，然后和后台应用程序做数据透传。

4）智能控制装置，智能控制装置核心控制芯片也采用STM32F13芯片，智能控制装置从功能上分为控制模块和监测模块，控制模块主要构成器件是继电器以及继电器驱动电路组成，监测模块则由电流计和安全保护电路组成，电流计负责监测电流，并统计家电耗电量，安全保护模块主要是当电压超载或者发生电路短路时断掉电路起到保护电路的功能，减少发生用电安全事故的几率。装置通过电力载波模块个信号收发装置进行通信，把自己的监测结果发送给信号收发装置，由信号收发装置发送给后台应用程序，由后台应用程序做数据统计与分析。

为了防止网络发生中断的现象，设计了一种临时解决方案，此方案是通过局域网实现控制家电的功能，把数据先缓存到手机上，等网络畅通后再把手机上的缓存上传到后台，由后台做统计分析。

3 系统创新点

本系统采用了WiFi与电力载波相结合的方式，既弥补了WiFi通信距离受限制穿墙效果差的缺点，又解决了电力载波移动性差的问题，该系统利用家庭电力线作为信号传输介质，不需要重新布线，结合WiFi又可以实现远程跨网通信，比传统的智能家居系统方便安装，成本低廉，具有关阔的市场前景。

参考文献：

[1]丁锐智.基于电力载波通信的路灯监控系统[D].北方工业大学，2014.

[2]黄维.基于LonWorks电力载波通信的隧道照明系統[J].电子世界，2014，7.

注：青岛工学院董事长基金资助项目——大学生科技创新项目（项目编号：2016CX010）

作者简介：胡桐嘉，青岛工学院2015级通信工程在校生；贾继康、刘豪，青岛工学院2013级通信工程在校生。

通讯作者：刘雪峰（1980），女，青岛工学院信息工程学院通信工程专业带头人，副教授；孙文汇（1981），男，青岛工学院信息工程学院实验室主任，讲师。