未来智讯 > 智能家居论文 > 基于Wi—Fi与电力载波的智能家居系统设计与实现

基于Wi—Fi与电力载波的智能家居系统设计与实现

发布时间:2017-12-07 09:28:00 文章来源:未来智讯    
    关键词: 电力载波;Wi-Fi网络;智能家居;智能插座;嵌入式系统;家庭物联网
    中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2013)36-8433-03
    家居用电安全、节约用电和智能控制是坚强智能电网智能用电环节需要解决的重要问题。每年因线路超载和线路老化造成导线温度升高发生的火灾不计其数。每年隐性的电能浪费,如家居用电器关机后任处于待机模式,由于家居用电负荷分布不均导致导线损耗增大和家居用电器老化导致自损耗增大等情况,每年都浪费大量电能。
    因此需要一款价格低廉、面对一般民众,能直观显示当前接口负荷、具有过压、过流保护能智能提醒用户断开用电器插座的智能家居系统,协助用户安全节约的用电。
    现阶段家庭系统接入互联网的方式主要为有线接入,目前最流行的有线宽带接入技术是ADSL(非对称数字用户线)和HFC(同轴光纤混合网)[1]。然而,近年来,出现了无线联网技术,如ZigBee,Wi-Fi等,这些技术中ZigBee技术功耗低,成本廉价等优点,但是数据传输速率低,有些大数据量传输的系统不适用,而Wi-Fi则传输速度高,衰减少等优点,适合在遥控、遥测、视频监控为一体的智能家居系统中应用。
    ARM微处理器是现在嵌入式系统和设备开发的首选,我们选用三星公司的16/32位微处理器,其核心是ARM公司设计的16/32位的ARM920T的RISC处理器。 本文分析了Wi-Fi模块与ARM的连接、设计基于载波和Wi-Fi的智能插座和智能终端,并在此基础上实现家用电器远程控制和检测的智能家居系统。
    1 Wi-Fi技术及88W8686芯片介绍
    Wi-Fi,又称无线相容性认证是设备不用通过电线而实现连接的方式。它可以用于家庭、企业、企业之间等。在局域网Wi-Fi有很多优势,但它也有缺点。无线网络通过电磁波实现网络连接和运行。无线电磁波通过天线和路由器发送并由无线接收器接收,例如计算机和配备有无线网络卡的手机之间的通信。Wi-Fi可以工作在2.4GHz和5GHz的ISM频段上。目前2.4GHz频段上通信被大部分国家所通用,因此802. 11b得到了最为广泛的应用[4]。
    Marvell公司的88W8686是一个廉价、低功耗、高集成的基于IEEE 802.11a/g/b通信标准的射频无线局域网芯片,其在单一的芯片上集成了可以工作在2.4GHz和5GHz的射频收发器。
    2 总体设计
    整个系统由Wi-Fi无线网络和电力载波组成,主要实现对智能水表和电表、智能插座、家用电器、安防系统的控制。该系统通过智能插座、智能开关监控家庭内各个用电设备。智能插座对设备的工作电流和工作电压进行检测,并通过数字温度传感器检测接口导线温度,通过LED指示灯实时显示智能用电接口的负荷状态和导线温度状态,防止接口超负荷,避免导线温度过高,消除火灾安全隐患。采集到的数据,通过电力线载波接口上传到智能终端进行存储和处理,各个采集端口存储器分为两个区,一个存储区以固定周期记录设备状态数据,另一个区记录设备异常状态数据,并在智能终端连接上位机时,通过网络将数据上传至上位机数据库,进行存储和处理。智能开关通过Wi-Fi通信模块接受来自智能终端的控制指令,按照所接收的指令对照明灯和电动窗帘以及其他设备进行控制操作,并把结果发送到智能终端。图1为系统示意图。
    3 系统硬件设计
    3.1 Wi-Fi与ARM的硬件连接
    该智能家居系统选用Marvell 88W8686的G-SPI连接方式与主控制器连接,实现数据的传输,如图2所示。其中ARM System是主控制器,88W8686是从机并且工作G-SPI接口方式。该方式支持一个通用的,半双工,DMA辅助的SPI主机接口,允许主控制器使用一个通用的SPI总线协议来访问无线局域网设备。G-SPI接口包含外部SPI总线和内部共享总线之间的接口电路,如图2所示。88W8686作为SPI总线上的设备,主控制器直接可以使用BAR和一个DMA引擎访问G-SPI寄存器以及无线设备共享的内存。
    
    图2 SPI接口连接图
    3.2智能插座
    智能插座主要用于家用电器应用电压、电流以及温度的测量,具有报警和跳闸功能。用户可以根据实际应用需要进行选择。智能插座通信接口由福星晓程PL3000系列载波调制芯片及控制器、载波发射模块、功率强度显示模块、电流采样模块、电压采样模块和导线温度采样以及异常情况报警模块组成[5]。如图3所示。
    
    图3 智能墙插模块框图
    其基本工作原理为:在智能用电接口火线处安装电压、电流互感器对接口供电电流进行采样,并通过A/D转换器转换为数字信号,发送到MCU(S3C2440)进行处理、存储并控制功率强度指示LED显示当前功率强度,同时在火线绝缘层外安装温度传感器,对火线温度进行实时监测,温度数据发回MCU进行处理并存储[6]。MCU通过载波通信模块将采集到的数据以一定的时间间隔发送到通过USB口连接智能用电接口的计算机数据库。若监测到异常将以两种形式进行报警:
         情况一、监测到电流强度超过预设上限;此时MCU开始计数,若在5秒(此时间可依据实际安全需求进行调整)内监测到电流强度持续高过预设上限,则继电器跳闸,LED功率强度指示灯为全亮并闪烁,蜂鸣器开始报警。MCU发送报警指令到监控计算机。
    情况二、监测到导线温度超过预设上限;此时MCU开始计数,若5秒内监测到导线温度一直高于预设上限,则继电器跳闸并,过温报警指示LED闪烁,蜂鸣器开始报警,MCU发送报警指令到监控计算机。
    4 系统软件设计
    无线网络的软件设计是实现智能家居系统设计中极其关键的部分,智能开关和智能插座软件设计采用ARM公司的ADS开发观景软件,ADS包括了四个模块分别是:SIMULATOR;C编译器;实时调试器;应用函数库。智能插座、和智能开关都含有Wi-Fi技术的芯片。因此他们的软件架构是一样的主要涉及应用程序、操作系统和Wi-Fi协议的交互、不同的是一些配置和信息、子程序和需要实现的功能程序[7]。
    4.1无线网络软件设计
    无线网络软件主要分为两个部分一个是建立Wi-Fi网络,检测各个节点,并与各节点建立数据连接。另一个是与上位机的连接。用户可通过手机、互联网、智能终端来实现对家用电器和环境的检测盒监控。
    系统上电复位以后就开始执行该子程序,子程序首先初始化主控制器,启动网络,并等待请求。当某个节点有数据传输时首先判断是否新节点然后再处理数据。软件流程如图4所示。
    
    图4 无线网络程序流程
    4.2上位机软件设计
    本上位机软件份为两部分,数据接口部分和数据处理及展示部分。
    数据接口部分,由数据采集模块和数据发送模块及传输接口组成,完成上位机软件与智能终端及智能插座、智能开关之间的数据采集和报警指令设置指令的下发。
    数据处理和展示部分,分为数据库、算法分析层和展示层。通过数据采集模块采集到的数据存入数据库中,并由算法分析层进行调用处理后由用户展示层完成数据和图形的展示。
    
    图5 上位机软件架构图
    上位机软件将主要完成以下功能:
    1)对各个终端接口数据的采集和存储;
    2)对采集到的数据进行分析计算,可输出一定周期内的电器用电量、电器工作电压、电器工作电流、导线温度和插板周围环境温度的曲线。对异常值进行标注;
    3)可通过实时数据与一定周期内的平均值数据对比并判断设备工作状态是否异常;
    4)依据当前电价方案,对家居用电器的使用给出经济合理的计划建议;
    5)可定期与个接口进行同步对时。
    5 结束语
    本文分析了Wi-Fi模块与ARM的连接、设计基于载波和Wi-Fi的智能插座和智能终端在此基础上实现了一种结构简单、成本低、性能高、功耗低的智能家居系统。现代科技发展中,对于家用电器设备性能的智能化、集中化、实用化要求越来越高,在这个发展趋势下,基于Wi-Fi与电力载波的智能家居系统正是迎合市场需求,科技的发展,该产品将会带动更多的产业,带来更大的社会经济效益。
    参考文献:
    [1] 金家红,方旭,杨碧峰,等.家庭物联网技术在智能家居系统的应用[J].现代电子技术,2013(10).
    [2] 沈韬,李绍荣.无线网卡驱动分析与WLAN性能测试[J].通信技术,2009(10):105-110.
    [3] 黄猛,杜红彬.移动机器车的Wi-Fi接口设计[J].自动化仪表,2010,31(3):50-56.
    [4] 索炜.基于S3C2440+Linux的无线射频模块的驱动程序设计[M].北京:北京邮电大学,2008.
    [5] 范皖勇.嵌入式Wi-Fi技术应用于研究[D].上海:华东师范大学,2008.
    [6] Proakis J G, Masoud Salehi. Digital Communications[M]. 北京:电子工业出版社,2008.
    [7] 王益祥,牛江平.远程无线抄表系统的研究[J].自动化仪表,2011,32(3):4-7.
转载请注明来源。原文地址:https://www.7428.cn/page/2017/1207/9561/
 与本篇相关的热门内容: