基于電力線載波的智能家居控制系統(tǒng)研究

摘要：結(jié)合電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，提出了基于電力線載波通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；詳細(xì)地闡述了該系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及嵌入式μC／OS系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果表明，該方案能夠靈活、快捷地實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備的控制，而且成本較低。
關(guān)鍵詞：電力線載波；μC／OS實(shí)時(shí)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(shù)是指把載有信息的高頻加載于電流，利用既有電力線進(jìn)行傳輸，通過調(diào)制解調(diào)器將高頻信號從電流中分離出來，傳送給計(jì)算機(jī)或其他信息家電，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。
利用電力載波通信技術(shù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)，只要是接入電力線的電力設(shè)備就能進(jìn)行通信。每個(gè)導(dǎo)電插座都是網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，數(shù)目多而且比較方便。無需撥號，只要導(dǎo)電就能接入網(wǎng)絡(luò)，具有靈活、方便、速率快等優(yōu)點(diǎn)，適合對家庭設(shè)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(shè)備的運(yùn)行，如空調(diào)、微波爐等設(shè)備的開關(guān)及工作狀態(tài)的調(diào)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

該控制系統(tǒng)主要分上層網(wǎng)絡(luò)和底層網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。底層網(wǎng)絡(luò)是指家庭內(nèi)部的電力線網(wǎng)絡(luò)，將家中的所有家電、照明設(shè)備、各種報(bào)警探頭和水表等設(shè)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(gòu)成基于電力線載波的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)現(xiàn)家庭各種開關(guān)設(shè)備、電器設(shè)備以及各種儀器儀表的控制。上層網(wǎng)絡(luò)是指家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部以太網(wǎng)的連接，家庭內(nèi)部網(wǎng)接入以太網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、PC端和手機(jī)終端的遠(yuǎn)程控制和Android監(jiān)控功能。
μC／OS控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要有現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程控制兩種方式。現(xiàn)場控制時(shí)，通過人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和信息顯示。遠(yuǎn)程控制時(shí)，通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程PC機(jī)服務(wù)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(diǎn)，控制相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作。μC／OS系統(tǒng)控制器還能夠監(jiān)測各控制節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，家庭中的設(shè)備定時(shí)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(shí)，控制器將做一些緊急的處理，如關(guān)閉電源等，并發(fā)出故障報(bào)警信號給服務(wù)器，通過服務(wù)器將報(bào)警信號轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程And roid手機(jī)終端。
家庭內(nèi)部設(shè)備通過控制節(jié)點(diǎn)連接到220 V電力線上。控制節(jié)點(diǎn)不但能夠?qū)崿F(xiàn)對電器設(shè)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(yīng)地址的設(shè)備發(fā)生動(dòng)作。每個(gè)家電、設(shè)備、儀表都有自己唯一的地址來標(biāo)識(shí)，從而保證控制的唯一性。各控制節(jié)點(diǎn)對從電力線傳過來的載波信號進(jìn)行解析和地址判定。若地址與本節(jié)點(diǎn)所連設(shè)備相符，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)命令，繼電器進(jìn)行吸合或者釋放動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的開／關(guān)控制，同時(shí)返回目標(biāo)的開／關(guān)狀態(tài)?？刂乒?jié)點(diǎn)還可以向μC／OS系統(tǒng)控制器上傳所采集設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，如開／關(guān)狀態(tài)、電壓、電流等，同時(shí)還會(huì)定時(shí)上傳各種儀表的實(shí)時(shí)采集信息。
在μC／OS系統(tǒng)控制器和各控制節(jié)點(diǎn)上都內(nèi)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(jìn)行通信。它們承擔(dān)系統(tǒng)的模擬量、脈沖量和開關(guān)量采集任務(wù)。戶內(nèi)的溫度控制器、水浸控制器等設(shè)備中加裝的模塊進(jìn)行模擬量采集，控制節(jié)點(diǎn)處的電力線載波通信模塊將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為電平信號，以0、1數(shù)字量通過單片機(jī)寫入數(shù)字幀，再經(jīng)調(diào)制解調(diào)芯片轉(zhuǎn)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(diào)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(guān)設(shè)備以及模擬量上傳設(shè)備均通過該原理實(shí)現(xiàn)。

2 μC／OS系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)控制流程
μC／OS系統(tǒng)控制器和控制節(jié)點(diǎn)內(nèi)部均有電力線載波通信模塊，兩者通過該模塊進(jìn)行通信?？刂乒?jié)點(diǎn)處的載波通信模塊把從家庭設(shè)備中采集到的開關(guān)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(jīng)過解調(diào)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(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。同樣，μC／OS控制器向下發(fā)送控制命令時(shí)，先通過控制器上的載波通信模塊進(jìn)行調(diào)制、處理，再經(jīng)過控制節(jié)點(diǎn)的載波通信模塊進(jìn)行解調(diào)轉(zhuǎn)換后再發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)控制。