基于电力线载波的智能家居控制系统研究

摘要：结合电力线载波通信技术的发展状况，提出了基于电力线载波通信技术的智能家居系统设计方案；详细地阐述了该系统的总体框架设计、远程终端系统软件设计以及嵌入式μC／OS系统控制器的硬件设计和软件设计。系统的实验检测结果表明，该方案能够灵活、快捷地实现对家居设备的控制，而且成本较低。
关键词：电力线载波；μC／OS实时操作系统；ARM7微处理器；智能家居；Android系统

引言
电力线通信(Power Line Communication)技术是指把载有信息的高频加载于电流，利用既有电力线进行传输，通过调制解调器将高频信号从电流中分离出来，传送给计算机或其他信息家电，以实现信息传递。
利用电力载波通信技术，系统网络无需另外布线，降低了成本。电力网是覆盖范围最大的网络，只要是接入电力线的电力设备就能进行通信。每个导电插座都是网络的接入点，数目多而且比较方便。无需拨号，只要导电就能接入网络，具有灵活、方便、速率快等优点，适合对家庭设备的控制和监控。

1 智能家居控制系统方案
智能家居控制系统控制和监视着家庭中各种设备的运行，如空调、微波炉等设备的开关及工作状态的调节。本文综合智能家居系统的功能和要求，研究了一套基于电力线通信的智能家居控制系统方案，系统总体结构如图1所示。

该控制系统主要分上层网络和底层网络两个部分。底层网络是指家庭内部的电力线网络，将家中的所有家电、照明设备、各种报警探头和水表等设备通过电力线终端连接到住宅中的220 V电力线上，继而通过μC／OS系统控制器，构成基于电力线载波的家庭内部网络，用以实现家庭各种开关设备、电器设备以及各种仪器仪表的控制。上层网络是指家庭内部网络与外部以太网的连接，家庭内部网接入以太网以实现设备数据的存储、PC端和手机终端的远程控制和Android监控功能。
μC／OS控制器是整个系统的控制核心，主要有现场控制和远程控制两种方式。现场控制时，通过人机交互界面，实现设备控制和信息显示。远程控制时，通过以太网与远程PC机服务器建立连接，接收发来的各种控制和查询命令，并通过电力线将这些命令传送到控制节点，控制相应的设备执行动作。μC／OS系统控制器还能够监测各控制节点的状态，家庭中的设备定时向μC／OS系统控制器发送状态信息，如发现故障或者不正常的操作时，控制器将做一些紧急的处理，如关闭电源等，并发出故障报警信号给服务器，通过服务器将报警信号转发给远程And roid手机终端。
家庭内部设备通过控制节点连接到220 V电力线上。控制节点不但能够实现对电器设备的本地控制，还能接收μC／OS系统控制器发来的控制命令，根据编码地址控制对应地址的设备发生动作。每个家电、设备、仪表都有自己唯一的地址来标识，从而保证控制的唯一性。各控制节点对从电力线传过来的载波信号进行解析和地址判定。若地址与本节点所连设备相符，则执行机构执行相应命令，继电器进行吸合或者释放动作，实现对目标的开／关控制，同时返回目标的开／关状态。控制节点还可以向μC／OS系统控制器上传所采集设备实时状态，如开／关状态、电压、电流等，同时还会定时上传各种仪表的实时采集信息。
在μC／OS系统控制器和各控制节点上都内嵌有电力线载波通信模块，它们之间通过电力线载波通信模块进行通信。它们承担系统的模拟量、脉冲量和开关量采集任务。户内的温度控制器、水浸控制器等设备中加装的模块进行模拟量采集，控制节点处的电力线载波通信模块将输入的模拟量转换为电平信号，以0、1数字量通过单片机写入数字帧，再经调制解调芯片转换为载波信号，通过电力线发送给μC／OS系统控制器处的电力线载波通信模块。采用类似原理，将接收的载波信号解调出数字帧，还原为数字量发给μC／OS系统控制器。各种开关设备以及模拟量上传设备均通过该原理实现。

2 μC／OS系统控制器硬件设计
2．1 系统控制流程
μC／OS系统控制器和控制节点内部均有电力线载波通信模块，两者通过该模块进行通信。控制节点处的载波通信模块把从家庭设备中采集到的开关量、模拟量处理后通过电力线传输到控制器的载波通信模块，经过解调处理后还原为初始信号，再通过串口发送给μC／OS系统控制器，进行相应的数据处理。同样，μC／OS控制器向下发送控制命令时，先通过控制器上的载波通信模块进行调制、处理，再经过控制节点的载波通信模块进行解调转换后再发送给相应的设备，实现控制。