基于電力線載波的智能家居控制系統(tǒng)研究

摘要：結合電力線載波通信技術的發(fā)展狀況，提出了基于電力線載波通信技術的智能家居系統(tǒng)設計方案；詳細地闡述了該系統(tǒng)的總體框架設計、遠程終端系統(tǒng)軟件設計以及嵌入式μC／OS系統(tǒng)控制器的硬件設計和軟件設計。系統(tǒng)的實驗檢測結果表明，該方案能夠靈活、快捷地實現(xiàn)對家居設備的控制，而且成本較低。
關鍵詞：電力線載波；μC／OS實時操作系統(tǒng)；ARM7微處理器；智能家居；Android系統(tǒng)

引言
電力線通信(Power Line Communication)技術是指把載有信息的高頻加載于電流，利用既有電力線進行傳輸，通過調制解調器將高頻信號從電流中分離出來，傳送給計算機或其他信息家電，以實現(xiàn)信息傳遞。
利用電力載波通信技術，系統(tǒng)網(wǎng)絡無需另外布線，降低了成本。電力網(wǎng)是覆蓋范圍最大的網(wǎng)絡，只要是接入電力線的電力設備就能進行通信。每個導電插座都是網(wǎng)絡的接入點，數(shù)目多而且比較方便。無需撥號，只要導電就能接入網(wǎng)絡，具有靈活、方便、速率快等優(yōu)點，適合對家庭設備的控制和監(jiān)控。

1 智能家居控制系統(tǒng)方案
智能家居控制系統(tǒng)控制和監(jiān)視著家庭中各種設備的運行，如空調、微波爐等設備的開關及工作狀態(tài)的調節(jié)。本文綜合智能家居系統(tǒng)的功能和要求，研究了一套基于電力線通信的智能家居控制系統(tǒng)方案，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

該控制系統(tǒng)主要分上層網(wǎng)絡和底層網(wǎng)絡兩個部分。底層網(wǎng)絡是指家庭內部的電力線網(wǎng)絡，將家中的所有家電、照明設備、各種報警探頭和水表等設備通過電力線終端連接到住宅中的220 V電力線上，繼而通過μC／OS系統(tǒng)控制器，構成基于電力線載波的家庭內部網(wǎng)絡，用以實現(xiàn)家庭各種開關設備、電器設備以及各種儀器儀表的控制。上層網(wǎng)絡是指家庭內部網(wǎng)絡與外部以太網(wǎng)的連接，家庭內部網(wǎng)接入以太網(wǎng)以實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)的存儲、PC端和手機終端的遠程控制和Android監(jiān)控功能。
μC／OS控制器是整個系統(tǒng)的控制核心，主要有現(xiàn)場控制和遠程控制兩種方式?，F(xiàn)場控制時，通過人機交互界面，實現(xiàn)設備控制和信息顯示。遠程控制時，通過以太網(wǎng)與遠程PC機服務器建立連接，接收發(fā)來的各種控制和查詢命令，并通過電力線將這些命令傳送到控制節(jié)點，控制相應的設備執(zhí)行動作。μC／OS系統(tǒng)控制器還能夠監(jiān)測各控制節(jié)點的狀態(tài)，家庭中的設備定時向μC／OS系統(tǒng)控制器發(fā)送狀態(tài)信息，如發(fā)現(xiàn)故障或者不正常的操作時，控制器將做一些緊急的處理，如關閉電源等，并發(fā)出故障報警信號給服務器，通過服務器將報警信號轉發(fā)給遠程And roid手機終端。
家庭內部設備通過控制節(jié)點連接到220 V電力線上?？刂乒?jié)點不但能夠實現(xiàn)對電器設備的本地控制，還能接收μC／OS系統(tǒng)控制器發(fā)來的控制命令，根據(jù)編碼地址控制對應地址的設備發(fā)生動作。每個家電、設備、儀表都有自己唯一的地址來標識，從而保證控制的唯一性。各控制節(jié)點對從電力線傳過來的載波信號進行解析和地址判定。若地址與本節(jié)點所連設備相符，則執(zhí)行機構執(zhí)行相應命令，繼電器進行吸合或者釋放動作，實現(xiàn)對目標的開／關控制，同時返回目標的開／關狀態(tài)?？刂乒?jié)點還可以向μC／OS系統(tǒng)控制器上傳所采集設備實時狀態(tài)，如開／關狀態(tài)、電壓、電流等，同時還會定時上傳各種儀表的實時采集信息。
在μC／OS系統(tǒng)控制器和各控制節(jié)點上都內嵌有電力線載波通信模塊，它們之間通過電力線載波通信模塊進行通信。它們承擔系統(tǒng)的模擬量、脈沖量和開關量采集任務。戶內的溫度控制器、水浸控制器等設備中加裝的模塊進行模擬量采集，控制節(jié)點處的電力線載波通信模塊將輸入的模擬量轉換為電平信號，以0、1數(shù)字量通過單片機寫入數(shù)字幀，再經調制解調芯片轉換為載波信號，通過電力線發(fā)送給μC／OS系統(tǒng)控制器處的電力線載波通信模塊。采用類似原理，將接收的載波信號解調出數(shù)字幀，還原為數(shù)字量發(fā)給μC／OS系統(tǒng)控制器。各種開關設備以及模擬量上傳設備均通過該原理實現(xiàn)。

2 μC／OS系統(tǒng)控制器硬件設計
2．1 系統(tǒng)控制流程
μC／OS系統(tǒng)控制器和控制節(jié)點內部均有電力線載波通信模塊，兩者通過該模塊進行通信。控制節(jié)點處的載波通信模塊把從家庭設備中采集到的開關量、模擬量處理后通過電力線傳輸?shù)娇刂破鞯妮d波通信模塊，經過解調處理后還原為初始信號，再通過串口發(fā)送給μC／OS系統(tǒng)控制器，進行相應的數(shù)據(jù)處理。同樣，μC／OS控制器向下發(fā)送控制命令時，先通過控制器上的載波通信模塊進行調制、處理，再經過控制節(jié)點的載波通信模塊進行解調轉換后再發(fā)送給相應的設備，實現(xiàn)控制。