一种基于Wi-Fi技术的智慧家居控制系统的研制

李永新 邓邹超 柴健强 吴登鹏 朱耀东

(嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴314000)

0 引言

随着社会经济和科学技术的快速发展，人们越来越追求生活的智能化，于是智能家居、智慧照明等新的概念在国内外被广泛提出，各种技术在智能家居中不断得到应用。本文介绍一种基于Wi-Fi技术的智慧家居控制系统，无线通讯采用Wi-Fi技术，充分利用家庭的Wi-Fi网关，方便将家居无线网络和外部广域网连接起来,通过智能手机直接控制室内电器，通过传感器收集数据，网络传输信息，可以实时控制和监测室内照明等电器情况。

1 系统总体方案

系统主要由中央控制系统、LED照明灯、智能手机客户端三个系统组成。系统框图如图1所示。控制系统采用了PIC24单片机，PIC24是Microchip公司推出的一种16位单片机，其性能优越，运行速度快。利用PIC24我们可以实现系统在终端自动的控制照明系统。LED照明灯包括驱动和控制系统，此系统又分主体照明和辅助照明。主体照明具有调光、调色功能及有多种灯光模式组合，使环境光线更为舒适，同时亦可通过多种传感器的检测，以适应不同的情况实现多种不同的情调模式调节。辅助照明是在白天使自然光照明和LED照明自动融合达到最佳照明效果，使节能效率维持在最佳水平。

图1 系统总体结构

无线通讯采用3G+Wi-Fi模式，相比其他搭建方式来说，Wi-Fi具有传输速度快，更适合于家居无线控制的特点。上位机采用智能手机移动终端，通过Wi-Fi搭建的物联网，我们可以将获取的数据显示在手机上，也可以利用手机发送数据对照明系统进行控制。

系统还包括一些辅助功能，包括时钟功能、温度功能以及MP3功能，其中时钟模块通过数码管显示，具有定时闹钟的功能，时钟功能采用的是DALLAS公司的具有低功耗的实时时钟芯片DS1302，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。温度功能使用美国DALLAS公司生产的DS18B20温度传感器，DS18B20是一款一线式数字温度传感器，温度测量范围广,测温分辨率可达0.0625℃。MP3功能采用VS1003B MP3解码模块，通过手机客户端控制，可以随时调节MP3模式，以及播放歌曲，同时在闹钟响起时，MP3同时播放。

2 硬件电路

系统的CPU采用了Microchip公司新推出的PIC24单片机，PIC24是一种16位单片机，其性能优越，运行速度快。利用PIC24我们可以实现系统在终端自动的控制照明系统。PIC24采用改进型的哈佛结构,高达16MIPS的指令持行速率。数据存储器线性地址扩展可达64KB，程序存储器线性地址扩展可达12MB。

通信模块包括主体通信和辅助通信两部分。主体通信部分采用Wi-Fi无线模块，辅助通信部分采用蓝牙和红外双通信组合。Wi-Fi模块采用UART串口输入，Wi-Fi模块是基于UART接口的符合Wi-Fi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈。

手机发送指令给目标Wi-Fi模块，目标Wi-Fi模块接收到指令后通过串口线以相同的指令发送给单片机的TX端，再由单片机进行判断，通过已经烧写在单片机内的程序指令执行相应的操作，如产生用于调光的可调PWM波。

LED驱动电路结构图如图2所示，EMI滤波电路采用简易EMI滤波器，即单级式结构。共轭电感和Y电容用来滤除共模干扰，X电容用来滤除串模干扰。共轭电感是绕在同一个磁芯上的两个电感量相同的电感，主要用来抑制共模干扰，为缩小体积和提高滤波效果。

图2 LED驱动结构

整流器采用全波桥式整流器，体积小，使用方便。50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压，再通过输入滤波电容得到直流高压。根据要求，采用600V/1A的整流桥。恒流驱动电路使用的是一种输出电流恒定的恒流源芯片BP2808，此款恒流源芯片输入电压为85V～265V，输出为一个恒定电流。芯片外配电路简洁，电路组成体积小。恒流驱动电路尽可能保持了恒流特性，在电源电压发生±15%的变动时，仍能保持输出电流在±10%的范围内变动，同时，驱动电路具有较低的自身功耗，这样使得LED的系统效率保持在较高水平。此外该芯片还内置欠压和过温保护电路，从而能在各种不利的条件下，有效的保证系统能够稳定的工作。

通过PIC24控制器发出的PWM信号，使功率开关管交替的接通和断开，通过改变PWM信号的频率来调节LED灯的亮度及色温。电路中使用RGB三基色LED灯珠，通过调节三色的比例，可以调节色温，亮度以及整个环境的氛围。让居住环境更加舒适。

3 手机客户端软件设计

手机客户端软件采用Phone Gap 技术，可以在Android，IOS，blackberry等各智能手机系统实现全平台支持,方便客户使用。界面简洁，使用方便，功能齐全，拥有较强的可扩展性。Phone Gap是一种利用web技术编写，能够调用API接口和进入应用商店的HTML5应用开发平台,是唯一的一个支持多个平台的开源移动框架。Phone Gap采用W3C标准，升级维护成本低，精确兼容系统Android、IOS等系统。手机客户端软件流程如图3所示，登录界面有IP地址和密码输入控件，同时可在此页面选择登录方式，登录方式包括Wi-Fi连接模式、红外连接模式、蓝牙连接模式组成。当用户输入IP和密码，后台的数据库会验证此账号的信息，如果信息正确，则可进入系统。

图3 客户端软件流程图

由登陆界面进入后是控制系统的主页，主页内容包括：开启系统，应急开关，使用详情，拓展系统四个控件组成，如图4所示。

1）开启系统：打开电器选择界面，选择要控制的家电。

2）应急开关:当室内停电时，可以开启电池模式来供电。

3）使用详情：介绍软件的使用方法。

4）拓展系统：拓展系统：在物联网的节点上增加电器或者增加房间，传统的家电系统因为布线问题拓展系统很麻烦，而我们的客户端拓展系统很方便。

图4 控制系统主页

图5 电器选择

点击开启系统后，进入电器选择界面，如图5所示，电器选择界面包括：照明灯，空调，插座，窗帘，冰箱等一系类电器控件，如果室内增加了新的家电，可以在添加菜单内进行设定添加，使用非常方便。

进入照明灯界面后，即为照明灯的模式选择，如图6所示，模式选择包括自动、手动、个性化，三个控件组成。 当进入手动模式时，可以调节亮度，同时可以调节RBG三基色灯颜色的比例来调节色温。进入手动模式可以通过软件上端，选择要控制灯的号码。方便，快捷。

当进入个性化选择时，可以进行模式选择如图7所示，模式选择包括：影音模式，睡前阅读模式，睡眠模式，网上冲浪模式，以及放松模式。可通过不同的需求选择不同的模式。

图6 模式选择

图7 个性化设置

在个性化选择时，设置有闹钟和音乐，例如，早上起床时，我可以设置闹钟，时间到后，照明灯内部嵌入的音乐模块，则会响起设定好的音乐，声音有低到高，逐渐变强，使正在睡眠中的人们从音乐中醒来。

4 结语

本文介绍了一种基于无线物联网的智慧家居控制系统。利用Microchip公司的PIC24为智能家居系统的中央控制器，通过扩展Wi-Fi模块建立家庭内部无线局域网；同时完成恒流驱动可调的LED智能照明灯的设计以及基于HTML5的智能手机客户端，通过Wi-Fi通信，调节LED灯的亮度，色温，同时可将Wi-Fi信号转换成蓝牙信号或者红外信号，控制一些家用电器，从而减少了额外配备Wi-Fi接口的开支。

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