云開關在智能家居控制系統中的應用設計

李琳+安屹+閆旭

摘 要

隨著信息技術、微電子技術、高級編程語言、控制技術、多媒體技術等多種技術的協同發展，人們迎來物聯網和智能家居大踏步發展的時代。現在的社會需要更高的智能化、更人性化的機器交互，使人們的生活以及工作更加安全、便捷、舒適。基于上述需求，本文設計的云開關手機應用可以集合某一情境（如家庭）中的所有開關控制需求，用一個簡單便捷的手機APP實現了對這一情境（如家庭）中所有開關設備的無線控制。通過在家庭中配以Wi-Fi智能開關，就可以通過手機APP實現目標AP的連接參數配置，并且可以實現Internet遠程控制。

【關鍵詞】智能家居 Wi-Fi無線通信 智能控制 云開關

1 引言

目前，智能家居組網方式多種多樣，很難有統一的家居組網方案被所有廠商接受。Wi-Fi作為商業級應用最廣泛的無線標準，比較適合作為智能家居的控制組網標準，門檻不高，接受程度廣泛，為云開關的推廣掃清了組網障礙。

本設計是基于Wi-Fi無線通信的智能開關應用系統，手機安裝控制應用程序之后，需要連入所在區域的Wi-Fi無線網絡，然后將Wi-Fi SSID和密碼發送給通電狀態下的智能云開關，云開關用該信息連接所在區域的無線路由器。點擊觸控開關，就能讓智能云開關開啟（通電）或關閉（斷電）。將手機斷開Wi-Fi連接，連上移動網絡，重新設置遠程操控密碼。如果要遠程控制云開關時，家里的Wi-Fi要保證正常工作且能夠訪問互聯網。

2 系統設計

本文針對云開關的設計，分為硬件系統和軟件系統兩方面的設計，下面對軟硬件系統的設計進行分別介紹。

2.1 硬件設計

云開關硬件分為強電和弱電設計，為了降低強電對弱電系統的干擾，將強弱電分成兩個單獨的模塊，從物理空間上分割開。

強電有兩個功能，一個功能是ACDC轉換，將220V交流電轉化為直流5V，負載驅動能力可達到2A；另一個功能是繼電器次級控制回路，實現穩定的切換功能，觸點要有高度的可靠性。ACDC轉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工作在原邊檢測模式，可省略光耦和TL431。該芯片提供了極為全面的自恢復保護功能，包含逐周期過流保護、過壓保護、開環保護、過溫保護、輸出短路保護和CS電阻開/短路保護等。內置高壓啟動電路和極低的芯片工作電流使得系統能夠滿足較高的待機功耗標準。繼電器選用泰科的RTS3L系列，該系列繼電器有優秀的切換能力和絕緣能力，完全可以滿足云開關的負載控制。ACDC轉換原理圖如圖1所示。

本文選用漢風的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、射頻收發單元以及功率放大器，嵌入式的固件支持Wi-Fi協議與配置，以及組網的TCP/IP協議棧，支持STA/AP/STA+AP共存工作模式。設計原理圖如圖2所示。限于文章篇幅，硬件其他模塊的設計就不做贅述。

2.2 軟件設計

本文云開關的軟件應用設計分為四個部分：設置過程、發現過程、控制過程、云控制。下面分別介紹每個模塊的設計。

2.2.1 設置過程

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慣，用戶需要“傻瓜”式的配置，免輸入免選擇，這樣才能實現自動配置與自動控制，在這樣的需求前提下，我們用Wi-Fi自組包廣播的方式，實現熱點SSID以及密鑰的傳輸，這樣Wi-Fi開關收到廣播數據后，經解密與校驗后，完成熱點的配置，從而進入接收控制指令的工作狀態。界面設計如圖3所示。

2.2.2 發現過程

手持設備發出二層局域網廣播包，云開關將以單播方式回復，一旦開關連接上所配SSID的路由器后，云開關會發出二層局域網廣播包通知手持設備，手持設備發出單播包到云服務器，獲取開關信息。圖4為檢測到有開關設備并連接后的應用界面。

2.2.3 控制過程

控制過程中，手持設備發出單播控制關閉或者開啟開關。Wi-Fi開關一旦完成自動配置，將與智能手機處于同一局域網中，這樣我們可以實現本地化的網絡控制，智能手機端基于預測理論產生預測控制序列，Wi-Fi開關中設置的網絡時延補償器利用預測控制序列的多步預測值，以此來克服網絡時延。

2.2.4 云控制

云開關周期發出心跳包通知云服務器，服務器記錄云開關NAT后通信管道以提供手持設備訪問。圖5為開關云控制設置界面。

2.2.5 其他功能的設計

可以建立不同的分組來管理這些開關設備，如分成一樓、二樓等，可以自行添加及建立分組；當檢測到有開關設備，會自動連接，并顯示成如圖4廚房、主臥的彩色的圖標樣式，圖標名稱、顏色、圖標圖片都允許自行設定，以便于相互區分；如要控制指定聯網開關，可以單擊開關按鈕或搖一搖。

3 結論

基于本文設計方案，筆者組裝好4套硬件系統，進行高密度Wi-Fi環境測試，并結合在Android4.4環境下的移動設備APP應用，常溫老化72個小時，測試效果非常理想，也驗證了本文設計思路的有效性和可實施性，本文的軟硬件系統設計方法有較強的應用價值。

參考文獻

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