基于MI201E電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)

蔡文洋　曾文正　江沛榮　吳耀濱

摘 要： 為了更好地利用現(xiàn)有的家居條件，節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的理念，設(shè)計(jì)了一套基于電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合電力線通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程的無線智能控制以及監(jiān)測(cè)。通過進(jìn)行樣品房測(cè)試，驗(yàn)證的該系統(tǒng)的實(shí)用性、可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 電力線通信； MI201E； 智能家居； 智能控制

中圖分類號(hào)： TN916.52?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0042?05

0 引 言

智能家居是在物聯(lián)網(wǎng)的影響之下物聯(lián)化體現(xiàn)。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段[1]。

智能家居技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了有線方式和無線方式兩個(gè)階段[2]。目前比較成熟的有線連接方式主要有RS 485，但其布線麻煩、可擴(kuò)展性差[3]。而無線比較成熟的連接方式主要有：WiFi、ZigBee，但其穩(wěn)定性以及安全性還存在一定的問題[4]。

本文所使用的電力線通信則解決布線及拓展性等問題，由于PLC通信是使用家庭中現(xiàn)有的電線作為傳輸載體，只要電線能去到的地方，信號(hào)都可以去到，無需再布線；另外，如果添加了電器，只要添加相關(guān)控制終端即可，無需重新布線。

雖然電力線載波通信擁有很多優(yōu)越性，但還是存在一些方面的缺陷，例如：

電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳；一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸[5]等。除此之外，不同的電力線載波芯片其性能也存在著差異，性能較好的價(jià)格往往較貴，如美國(guó)的埃施朗的PLT?22國(guó)際主流品牌，主要針對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)而設(shè)計(jì)，完善的Lonworks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，國(guó)外市場(chǎng)已有幾百萬(wàn)片的成熟應(yīng)用。成套方案綁定銷售，方案價(jià)格很高，國(guó)內(nèi)技術(shù)支持不到位，過高的價(jià)格難以在民用市場(chǎng)大規(guī)模推廣。其他如：青島東軟、福星曉程等國(guó)內(nèi)大多廠家芯片性能評(píng)價(jià)一般，不能很好的適應(yīng)中國(guó)的電網(wǎng)環(huán)境。因此設(shè)計(jì)了以下方案，并就方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 電力線載波通信技術(shù)及智能家居控制系統(tǒng)

1.1 電力線載波通信技術(shù)

電力線通信技術(shù)是利用電力線傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后加載于電流，然后通過電線傳輸，接受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到接收端，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞[6]。目前在多種場(chǎng)合使用的低速（1 200 b/s以下）電力載波已很普遍。利用輸電線路作為信號(hào)的傳輸媒介，人們利用電力線可以傳輸電話、電報(bào)、遠(yuǎn)動(dòng)、數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方保護(hù)信號(hào)等。由于電力線機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性好，不需要線路的基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常的維護(hù)費(fèi)用，因此PLC具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)務(wù)通信以及各種信息傳輸方面發(fā)揮了重要作用。

但是由于目前電力線通信技術(shù)尚不成熟，市場(chǎng)上的電力線載波芯片大多存在通信速率低，抗干擾能力差[7]，不能適用中國(guó)較為惡劣的電網(wǎng)環(huán)境等不足問題。因此目前電力線載波通信技術(shù)大多應(yīng)用于智能抄表，環(huán)境測(cè)量等數(shù)據(jù)量低的領(lǐng)域中，這就大大限定了電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用范圍，限制了其進(jìn)一步的推廣以及發(fā)展。

本系統(tǒng)在芯片的傳輸速率、調(diào)制方式、抗干擾性、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、成本等性能上綜合考慮，選用彌亞微電子MI201E載波芯片。該芯片為高性能、高集成度物理層通信芯片，性價(jià)比較高。具有完善的系統(tǒng)方案和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，能自動(dòng)組網(wǎng)，自動(dòng)中繼，自動(dòng)維護(hù)路由，技術(shù)支持到位[8]。MI201E是一個(gè)可工作于碼分多址（CDMA）方式的半雙工調(diào)制解調(diào)芯片，并且提供載波偵聽和有效幀指示信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)基于共享信道的網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議[8]。MI201E具有以下特點(diǎn)[8]：

（1） 檢測(cè)過零發(fā)送機(jī)制，避開電力線重載區(qū)；

（2） 可變擴(kuò)頻增益控制；

（3） 可適用于不同環(huán)境的自適應(yīng)傳輸速率；

（4） 三種可選的載波頻率；

（5） 八個(gè)可選的擴(kuò)頻碼；

（6） 內(nèi)置CRC?16硬件校驗(yàn)電路；

（7） 內(nèi)置開關(guān)電容帶通濾波器；

（8） 內(nèi)置數(shù)字功率放大器；

（9） 符合 EN50065?1以及IEC61000?3?8標(biāo)準(zhǔn)。

基于芯片的性能以及價(jià)格，本系統(tǒng)選用MI201E電力線載波通信芯片。

1.2 智能家居控制系統(tǒng)

房?jī)?nèi)通信由于電力線載波速率很低，因此無法采用主從聯(lián)網(wǎng)方式。針對(duì)電力線載波的特點(diǎn)和燈光控制的實(shí)際需要，采用載波偵聽多次廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)的方式。當(dāng)某個(gè)設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，則進(jìn)行載波偵聽，當(dāng)電力線數(shù)據(jù)通信空閑時(shí)，再發(fā)送多次（暫定3次）的“房態(tài)包”，其他設(shè)備收到“房態(tài)包”后則同步自己的狀態(tài)（同類設(shè)備）或執(zhí)行相關(guān)操作。同時(shí)，每個(gè)模塊上電時(shí)會(huì)向網(wǎng)關(guān)PLC發(fā)送“注冊(cè)包”以更新房間最新的狀態(tài)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

在本系統(tǒng)中，每個(gè)控制模塊都通過一個(gè)電力線載波模塊接入電網(wǎng)進(jìn)行通信。為了便于識(shí)別各個(gè)模塊，在本系統(tǒng)中對(duì)各種類型的設(shè)備進(jìn)行了分類，由相應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，如：溫控包、開關(guān)包、房態(tài)包等。由于通信速度上的缺陷，設(shè)置的協(xié)議里面并不要求接收方在接到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行回復(fù)，只是通過連續(xù)發(fā)送3次的方式來確保對(duì)方能接到，除此之外，還要求當(dāng)自身狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)候進(jìn)行通報(bào)，以便其他設(shè)備及時(shí)更新數(shù)據(jù)，記錄下房間內(nèi)當(dāng)前的狀態(tài)。由于是采用廣播式網(wǎng)絡(luò)，因此，在每個(gè)模塊狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)候，主機(jī)都可以知道并且記錄下來，通過查詢主機(jī)，即可知道當(dāng)前房態(tài)信息，也可控制房間的用電器。

1.2.1 PLC智能網(wǎng)關(guān)和用戶設(shè)備之間的電力線通信協(xié)議

客房?jī)?nèi)所有設(shè)備之間采用電力線通信，發(fā)送信號(hào)前先做載波偵聽，檢測(cè)到總線空閑時(shí)才啟動(dòng)發(fā)送程序；設(shè)備之間采用廣播方式通信，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)改變時(shí)，偵測(cè)到總線空閑，即廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送的“房態(tài)包”主要有“開關(guān)包”、“溫控包”、“調(diào)光包”，每種“房態(tài)包”包括“包屬性碼”與“包信息”，而且“房態(tài)包”的字節(jié)數(shù)必須為偶數(shù)，以保證電力線載波通信的正確。另外，模塊上電時(shí)會(huì)自動(dòng)向主機(jī)發(fā)送“注冊(cè)包”等待主機(jī)返回“房態(tài)包”以更新房間的最新狀態(tài)。其通信參考流程如下：

（1） 注冊(cè)包：用以獲取當(dāng)前最新房態(tài)，避免因掉電造出數(shù)據(jù)包丟失而引起的系統(tǒng)故障。

工作流程：當(dāng)模塊上電后，自動(dòng)向PLC網(wǎng)關(guān)發(fā)送注冊(cè)包，等待網(wǎng)關(guān)回復(fù)最新房態(tài)數(shù)據(jù)，若沒有收到同類的“房態(tài)包”，則每隔1 s發(fā)送一次，若1 min后沒有接到，則自動(dòng)進(jìn)入工作模式；發(fā)送數(shù)據(jù)前必須先偵聽載波，判斷總線空閑后再發(fā)送數(shù)據(jù)。

發(fā)送方向： PLC網(wǎng)關(guān)。

通信設(shè)置：默認(rèn)1 600 b/s，波特率由發(fā)送端設(shè)置。

（2） 開關(guān)包：開關(guān)類設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)（如：某按鍵被按下），修改對(duì)應(yīng)“開關(guān)包”相應(yīng)的位置（只寫相對(duì)應(yīng)字節(jié)），其他位置不允許做任何操作，然后再發(fā)送“開關(guān)包”；其他同類設(shè)備則同步自己的模塊對(duì)應(yīng)“開關(guān)包”相應(yīng)狀態(tài)（只讀相對(duì)應(yīng)字節(jié)），PLC網(wǎng)關(guān)自動(dòng)上傳一次房態(tài)數(shù)據(jù)。

工作流程：發(fā)送數(shù)據(jù)前必須先偵聽載波，判斷總線空閑后再發(fā)送數(shù)據(jù)。

發(fā)送方向：任何電力線載波設(shè)備之間，主要是開關(guān)設(shè)備和PLC網(wǎng)關(guān)之間。

通信設(shè)置：默認(rèn)1 600 b/s，波特率由發(fā)送端設(shè)置。

（3） 溫控包：當(dāng)空調(diào)面板狀態(tài)改變時(shí)，自動(dòng)生成并發(fā)送“溫控包”，PLC網(wǎng)關(guān)收到后自動(dòng)上傳一次房態(tài)數(shù)據(jù)。

工作流程：發(fā)送數(shù)據(jù)前必須先偵聽載波，判斷總線空閑后再發(fā)送數(shù)據(jù)。

發(fā)送方向：PLC網(wǎng)關(guān)?溫控板。

通信設(shè)置：默認(rèn)1 600 b/s，波特率由發(fā)送端設(shè)置。

（4） 調(diào)光包：當(dāng)調(diào)光開關(guān)面板燈光亮度和狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)發(fā)出調(diào)光包（亮度和開關(guān)狀態(tài)信息），PLC網(wǎng)關(guān)收到后自動(dòng)上傳一次房態(tài)數(shù)據(jù)。

工作流程：發(fā)送數(shù)據(jù)前必須先偵聽載波，判斷總線空閑后再發(fā)送數(shù)據(jù)。

發(fā)送方向：PLC網(wǎng)關(guān)?調(diào)光輸出模塊。

通信設(shè)置：默認(rèn)1 600 b/s，波特率由發(fā)送端設(shè)置。

1.2.2 用戶設(shè)備模塊和PLC模塊通信協(xié)議

用戶設(shè)備模塊與PLC模塊通信采用485通信，其通信的數(shù)據(jù)包只有“485數(shù)據(jù)包”。主要功能如下：將來自電力線上的數(shù)據(jù)通過485通信送給用戶設(shè)備模塊，由用戶設(shè)備模塊進(jìn)行解包；將來自用戶設(shè)備模塊傳來的數(shù)據(jù)發(fā)到電力線上；解析來自用戶設(shè)備模塊傳來的數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

通信流程如下：

（1） 用戶應(yīng)用設(shè)備模塊狀態(tài)發(fā)生改變，先發(fā)送“模塊操作包”給PLC通信模塊改變PLC通信模塊相應(yīng)繼電器，再發(fā)送“房態(tài)包”到PLC通信模塊；

（2） PLC通信模塊接收到來自應(yīng)用設(shè)備模塊的“485數(shù)據(jù)包”則進(jìn)行相應(yīng)操作；

（3） PLC通信模塊接收到電力線上的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)送給用戶應(yīng)用設(shè)備模塊；

（4） 用戶應(yīng)用設(shè)備模塊收到來自PLC通信模塊的數(shù)據(jù)，則進(jìn)行相應(yīng)操作；

（5） 兩模塊進(jìn)行通信時(shí)，均必須先檢測(cè)485線是否空閑，空閑才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 智能家居控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC電力線智能網(wǎng)關(guān)模塊

智能網(wǎng)關(guān)模塊主要功能為：

（1） 具有電力線通信功能，可與用戶設(shè)備（如：溫控器、觸摸開關(guān)面板等）雙向通信；

（2） 具有以太網(wǎng)接口，通過TCP/IP與上位機(jī)（PC機(jī)）聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雙向房態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控；

（3） 具有4個(gè)LED狀態(tài)指示（供電狀態(tài)、房號(hào)指示、報(bào)警指示、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)）；

（4） 具有蜂鳴器聲音報(bào)警、發(fā)送和接收各種“房態(tài)包”等。

智能網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖2所示。

2.2 插卡取電模塊

插卡取電模塊主要功能為：

（1） 插入房卡，執(zhí)行定義的場(chǎng)景，打開指定的設(shè)備（發(fā)送“開關(guān)包”）；受控插座自動(dòng)供電（接收到“房態(tài)包”后30 A繼電器執(zhí)行吸合）。

（2） 拔卡時(shí)，執(zhí)行定義的場(chǎng)景，如延時(shí)開關(guān)某些設(shè)備（通過延時(shí)后發(fā)送“開關(guān)包”實(shí)現(xiàn)）。拔卡后所有設(shè)備不受現(xiàn)場(chǎng)控制，上位機(jī)則可通過發(fā)送“房態(tài)包”、“空調(diào)包”到PLC網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程控制房間的用戶設(shè)備；拔卡后，受控延時(shí)30 s切斷受控電源插座供電等。

插卡取電模塊的工作流程如圖3所示。

2.3 溫控模塊模塊

溫控模塊主要功能為：

（1） 具有空調(diào)控制繼電器，可控制風(fēng)機(jī)開關(guān)、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、控制水閥開關(guān)；

（2） 能顯示空調(diào)的“開關(guān)”、“設(shè)定溫度”和“實(shí)際溫度”等狀態(tài)，并在狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)（用戶設(shè)置、設(shè)備主動(dòng)或遠(yuǎn)程控制）通過電力線載波把“溫控包”發(fā)送給PLC網(wǎng)關(guān)。

溫控模塊的工作流程如圖4所示。

2.4 調(diào)光模塊

由于在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，考慮到實(shí)際情況，因此，并沒有把調(diào)光控制面板和調(diào)光輸出做在同一模塊上。主要分為如下兩個(gè)模塊：

2.4.1 調(diào)光面板

調(diào)光面板主要功能：

（1） 調(diào)光燈可無級(jí)調(diào)節(jié)；

（2） 具有開關(guān)和調(diào)光兩個(gè)按鍵，默認(rèn)開啟的亮度50%；按開關(guān)鍵可開關(guān)調(diào)光燈，按住調(diào)光開關(guān)，則循環(huán)亮度調(diào)節(jié)。

以往的調(diào)光都是調(diào)光按鍵不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)出去控制調(diào)光控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)，但考慮到本系統(tǒng)通信速率上的因素，改變了傳統(tǒng)的方案；在本系統(tǒng)中，在調(diào)光面板上，當(dāng)按鍵按下時(shí)就給輸出模塊發(fā)送調(diào)光指令，輸出模塊在接到指令后自行進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，當(dāng)松開按鍵時(shí)則發(fā)送一個(gè)停止指令，輸出模塊就不在進(jìn)行調(diào)節(jié)。

調(diào)光面板的工作流程如圖5所示。

2.4.2 調(diào)光輸出模塊

調(diào)光輸出模塊的主要功能如下：

（1） 每個(gè)模塊可控制2路燈光調(diào)光；

（2） 具有5個(gè)LED狀態(tài)指示（供電狀態(tài)、報(bào)警指示、RS 485連接狀態(tài)、兩路輸出狀態(tài)）。

調(diào)光輸出模塊的工作流程如圖6所示。

2.5 載波通信模塊

載波通信模塊主要功能為：

（1） 具有RS 485通信，與應(yīng)用設(shè)備模塊進(jìn)行通信，將電力線上接收到的數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用設(shè)備模塊；

（2） 具有電力線通信模塊，將由應(yīng)用設(shè)備模塊傳來的數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線上，接收電力線上發(fā)送的數(shù)據(jù)；

（3） 具有4個(gè)繼電器開關(guān)，可控制電器開關(guān)；

（4） 具有5個(gè)LED燈，分別顯示“供電狀態(tài)”、“發(fā)送狀態(tài)”、“接收狀態(tài)”、“其他”。

由于在本系統(tǒng)中，載波通信模塊是作為通信的中介的作用，因此，其是透明傳輸?shù)模簿褪菑碾娏€上得到什么就直接轉(zhuǎn)發(fā)給上一級(jí)模塊，而上一級(jí)模塊的數(shù)據(jù)也是直接轉(zhuǎn)發(fā)到電力線上。

載波通信模塊的工作流程如圖7所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于MI201E電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及思路，同時(shí)，該系統(tǒng)的搭建成功也驗(yàn)證了電力線通信的可行性、可靠性以及方便性。

參考文獻(xiàn)

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調(diào)光輸出模塊的工作流程如圖6所示。

2.5 載波通信模塊

載波通信模塊主要功能為：

（1） 具有RS 485通信，與應(yīng)用設(shè)備模塊進(jìn)行通信，將電力線上接收到的數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用設(shè)備模塊；

（2） 具有電力線通信模塊，將由應(yīng)用設(shè)備模塊傳來的數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線上，接收電力線上發(fā)送的數(shù)據(jù)；

（3） 具有4個(gè)繼電器開關(guān)，可控制電器開關(guān)；

（4） 具有5個(gè)LED燈，分別顯示“供電狀態(tài)”、“發(fā)送狀態(tài)”、“接收狀態(tài)”、“其他”。

由于在本系統(tǒng)中，載波通信模塊是作為通信的中介的作用，因此，其是透明傳輸?shù)?，也就是從電力線上得到什么就直接轉(zhuǎn)發(fā)給上一級(jí)模塊，而上一級(jí)模塊的數(shù)據(jù)也是直接轉(zhuǎn)發(fā)到電力線上。

載波通信模塊的工作流程如圖7所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于MI201E電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及思路，同時(shí)，該系統(tǒng)的搭建成功也驗(yàn)證了電力線通信的可行性、可靠性以及方便性。

參考文獻(xiàn)

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調(diào)光輸出模塊的工作流程如圖6所示。

2.5 載波通信模塊

載波通信模塊主要功能為：

（1） 具有RS 485通信，與應(yīng)用設(shè)備模塊進(jìn)行通信，將電力線上接收到的數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用設(shè)備模塊；

（2） 具有電力線通信模塊，將由應(yīng)用設(shè)備模塊傳來的數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線上，接收電力線上發(fā)送的數(shù)據(jù)；

（3） 具有4個(gè)繼電器開關(guān)，可控制電器開關(guān)；

（4） 具有5個(gè)LED燈，分別顯示“供電狀態(tài)”、“發(fā)送狀態(tài)”、“接收狀態(tài)”、“其他”。

由于在本系統(tǒng)中，載波通信模塊是作為通信的中介的作用，因此，其是透明傳輸?shù)模簿褪菑碾娏€上得到什么就直接轉(zhuǎn)發(fā)給上一級(jí)模塊，而上一級(jí)模塊的數(shù)據(jù)也是直接轉(zhuǎn)發(fā)到電力線上。

載波通信模塊的工作流程如圖7所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于MI201E電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及思路，同時(shí)，該系統(tǒng)的搭建成功也驗(yàn)證了電力線通信的可行性、可靠性以及方便性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張秀國(guó).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（12）：105?106.

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