云開關(guān)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李琳+安屹+閆旭

摘 要

隨著信息技術(shù)、微電子技術(shù)、高級(jí)編程語言、控制技術(shù)、多媒體技術(shù)等多種技術(shù)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(shí)代?，F(xiàn)在的社會(huì)需要更高的智能化、更人性化的機(jī)器交互，使人們的生活以及工作更加安全、便捷、舒適?；谏鲜鲂枨?，本文設(shè)計(jì)的云開關(guān)手機(jī)應(yīng)用可以集合某一情境（如家庭）中的所有開關(guān)控制需求，用一個(gè)簡單便捷的手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一情境（如家庭）中所有開關(guān)設(shè)備的無線控制。通過在家庭中配以Wi-Fi智能開關(guān)，就可以通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)目標(biāo)AP的連接參數(shù)配置，并且可以實(shí)現(xiàn)Internet遠(yuǎn)程控制。

【關(guān)鍵詞】智能家居 Wi-Fi無線通信 智能控制 云開關(guān)

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(jí)應(yīng)用最廣泛的無線標(biāo)準(zhǔn)，比較適合作為智能家居的控制組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，門檻不高，接受程度廣泛，為云開關(guān)的推廣掃清了組網(wǎng)障礙。

本設(shè)計(jì)是基于Wi-Fi無線通信的智能開關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)，手機(jī)安裝控制應(yīng)用程序之后，需要連入所在區(qū)域的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，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(guān)，云開關(guān)用該信息連接所在區(qū)域的無線路由器。點(diǎn)擊觸控開關(guān)，就能讓智能云開關(guān)開啟（通電）或關(guān)閉（斷電）。將手機(jī)斷開Wi-Fi連接，連上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，重新設(shè)置遠(yuǎn)程操控密碼。如果要遠(yuǎn)程控制云開關(guān)時(shí)，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(shè)計(jì)

本文針對(duì)云開關(guān)的設(shè)計(jì)，分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩方面的設(shè)計(jì)，下面對(duì)軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分別介紹。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

云開關(guān)硬件分為強(qiáng)電和弱電設(shè)計(jì)，為了降低強(qiáng)電對(duì)弱電系統(tǒng)的干擾，將強(qiáng)弱電分成兩個(gè)單獨(dú)的模塊，從物理空間上分割開。

強(qiáng)電有兩個(gè)功能，一個(gè)功能是ACDC轉(zhuǎn)換，將220V交流電轉(zhuǎn)化為直流5V，負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)到2A；另一個(gè)功能是繼電器次級(jí)控制回路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的切換功能，觸點(diǎn)要有高度的可靠性。ACDC轉(zhuǎn)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(cè)模式，可省略光耦和TL431。該芯片提供了極為全面的自恢復(fù)保護(hù)功能，包含逐周期過流保護(hù)、過壓保護(hù)、開環(huán)保護(hù)、過溫保護(hù)、輸出短路保護(hù)和CS電阻開/短路保護(hù)等。內(nèi)置高壓啟動(dòng)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(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)。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(guān)的負(fù)載控制。ACDC轉(zhuǎn)換原理圖如圖1所示。

本文選用漢風(fēng)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(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。限于文章篇幅，硬件其他模塊的設(shè)計(jì)就不做贅述。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文云開關(guān)的軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)分為四個(gè)部分：設(shè)置過程、發(fā)現(xiàn)過程、控制過程、云控制。下面分別介紹每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。

2.2.1 設(shè)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(xí)慣，用戶需要“傻瓜”式的配置，免輸入免選擇，這樣才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置與自動(dòng)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(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)SSID以及密鑰的傳輸，這樣Wi-Fi開關(guān)收到廣播數(shù)據(jù)后，經(jīng)解密與校驗(yàn)后，完成熱點(diǎn)的配置，從而進(jìn)入接收控制指令的工作狀態(tài)。界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2.2 發(fā)現(xiàn)過程

手持設(shè)備發(fā)出二層局域網(wǎng)廣播包，云開關(guān)將以單播方式回復(fù)，一旦開關(guān)連接上所配SSID的路由器后，云開關(guān)會(huì)發(fā)出二層局域網(wǎng)廣播包通知手持設(shè)備，手持設(shè)備發(fā)出單播包到云服務(wù)器，獲取開關(guān)信息。圖4為檢測(cè)到有開關(guān)設(shè)備并連接后的應(yīng)用界面。

2.2.3 控制過程

控制過程中，手持設(shè)備發(fā)出單播控制關(guān)閉或者開啟開關(guān)。Wi-Fi開關(guān)一旦完成自動(dòng)配置，將與智能手機(jī)處于同一局域網(wǎng)中，這樣我們可以實(shí)現(xiàn)本地化的網(wǎng)絡(luò)控制，智能手機(jī)端基于預(yù)測(cè)理論產(chǎn)生預(yù)測(cè)控制序列，Wi-Fi開關(guān)中設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償器利用預(yù)測(cè)控制序列的多步預(yù)測(cè)值，以此來克服網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

2.2.4 云控制

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

2.2.5 其他功能的設(shè)計(jì)

可以建立不同的分組來管理這些開關(guān)設(shè)備，如分成一樓、二樓等，可以自行添加及建立分組；當(dāng)檢測(cè)到有開關(guān)設(shè)備，會(huì)自動(dòng)連接，并顯示成如圖4廚房、主臥的彩色的圖標(biāo)樣式，圖標(biāo)名稱、顏色、圖標(biāo)圖片都允許自行設(shè)定，以便于相互區(qū)分；如要控制指定聯(lián)網(wǎng)開關(guān)，可以單擊開關(guān)按鈕或搖一搖。

3 結(jié)論

基于本文設(shè)計(jì)方案，筆者組裝好4套硬件系統(tǒng)，進(jìn)行高密度Wi-Fi環(huán)境測(cè)試，并結(jié)合在Android4.4環(huán)境下的移動(dòng)設(shè)備APP應(yīng)用，常溫老化72個(gè)小時(shí)，測(cè)試效果非常理想，也驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)思路的有效性和可實(shí)施性，本文的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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