基于電力線(xiàn)載波的智能家居控制系統研究

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

引言
電力線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行傳輸，通過(guò)調制解調器將高頻信號從電流中分離出來(lái)，傳送給計算機或其他信息家電，以實(shí)現信息傳遞。
利用電力載波通信技術(shù)，系統網(wǎng)絡(luò )無(wú)需另外布線(xiàn)，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(xiàn)的電力設備就能進(jìn)行通信。每個(gè)導電插座都是網(wǎng)絡(luò )的接入點(diǎn)，數目多而且比較方便。無(wú)需撥號，只要導電就能接入網(wǎng)絡(luò )，具有靈活、方便、速率快等優(yōu)點(diǎn)，適合對家庭設備的控制和監控。

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

該控制系統主要分上層網(wǎng)絡(luò )和底層網(wǎng)絡(luò )兩個(gè)部分。底層網(wǎng)絡(luò )是指家庭內部的電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，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(guò)電力線(xiàn)終端連接到住宅中的220 V電力線(xiàn)上，繼而通過(guò)μC／OS系統控制器，構成基于電力線(xiàn)載波的家庭內部網(wǎng)絡(luò )，用以實(shí)現家庭各種開(kāi)關(guān)設備、電器設備以及各種儀器儀表的控制。上層網(wǎng)絡(luò )是指家庭內部網(wǎng)絡(luò )與外部以太網(wǎng)的連接，家庭內部網(wǎng)接入以太網(wǎng)以實(shí)現設備數據的存儲、PC端和手機終端的遠程控制和Android監控功能。
μC／OS控制器是整個(gè)系統的控制核心，主要有現場(chǎng)控制和遠程控制兩種方式?，F場(chǎng)控制時(shí)，通過(guò)人機交互界面，實(shí)現設備控制和信息顯示。遠程控制時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)與遠程PC機服務(wù)器建立連接，接收發(fā)來(lái)的各種控制和查詢(xún)命令，并通過(guò)電力線(xiàn)將這些命令傳送到控制節點(diǎn)，控制相應的設備執行動(dòng)作。μC／OS系統控制器還能夠監測各控制節點(diǎn)的狀態(tài)，家庭中的設備定時(shí)向μC／OS系統控制器發(fā)送狀態(tài)信息，如發(fā)現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)出故障報警信號給服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)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(guò)控制節點(diǎn)連接到220 V電力線(xiàn)上?？刂乒濣c(diǎn)不但能夠實(shí)現對電器設備的本地控制，還能接收μC／OS系統控制器發(fā)來(lái)的控制命令，根據編碼地址控制對應地址的設備發(fā)生動(dòng)作。每個(gè)家電、設備、儀表都有自己唯一的地址來(lái)標識，從而保證控制的唯一性。各控制節點(diǎn)對從電力線(xiàn)傳過(guò)來(lái)的載波信號進(jìn)行解析和地址判定。若地址與本節點(diǎn)所連設備相符，則執行機構執行相應命令，繼電器進(jìn)行吸合或者釋放動(dòng)作，實(shí)現對目標的開(kāi)／關(guān)控制，同時(shí)返回目標的開(kāi)／關(guān)狀態(tài)?？刂乒濣c(diǎn)還可以向μC／OS系統控制器上傳所采集設備實(shí)時(shí)狀態(tài)，如開(kāi)／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系統控制器和各控制節點(diǎn)上都內嵌有電力線(xiàn)載波通信模塊，它們之間通過(guò)電力線(xiàn)載波通信模塊進(jìn)行通信。它們承擔系統的模擬量、脈沖量和開(kāi)關(guān)量采集任務(wù)。戶(hù)內的溫度控制器、水浸控制器等設備中加裝的模塊進(jìn)行模擬量采集，控制節點(diǎn)處的電力線(xiàn)載波通信模塊將輸入的模擬量轉換為電平信號，以0、1數字量通過(guò)單片機寫(xiě)入數字幀，再經(jīng)調制解調芯片轉換為載波信號，通過(guò)電力線(xiàn)發(fā)送給μC／OS系統控制器處的電力線(xiàn)載波通信模塊。采用類(lèi)似原理，將接收的載波信號解調出數字幀，還原為數字量發(fā)給μC／OS系統控制器。各種開(kāi)關(guān)設備以及模擬量上傳設備均通過(guò)該原理實(shí)現。

2 μC／OS系統控制器硬件設計
2．1 系統控制流程
μC／OS系統控制器和控制節點(diǎn)內部均有電力線(xiàn)載波通信模塊，兩者通過(guò)該模塊進(jìn)行通信?？刂乒濣c(diǎn)處的載波通信模塊把從家庭設備中采集到的開(kāi)關(guān)量、模擬量處理后通過(guò)電力線(xiàn)傳輸到控制器的載波通信模塊，經(jīng)過(guò)解調處理后還原為初始信號，再通過(guò)串口發(fā)送給μC／OS系統控制器，進(jìn)行相應的數據處理。同樣，μC／OS控制器向下發(fā)送控制命令時(shí)，先通過(guò)控制器上的載波通信模塊進(jìn)行調制、處理，再經(jīng)過(guò)控制節點(diǎn)的載波通信模塊進(jìn)行解調轉換后再發(fā)送給相應的設備，實(shí)現控制。