基于電力線載波技術(shù)的智能家居系統(tǒng)研究*

路 勇，王毅峰

基于電力線載波技術(shù)的智能家居系統(tǒng)研究*

路 勇，王毅峰

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

將電力線載波技術(shù)（PLC）應(yīng)用于智能家居，設(shè)計(jì)出一種更加便利的智能家居系統(tǒng)．該系統(tǒng)既具有目前常見的智能家居系統(tǒng)的功能，又能夠解決目前智能家居系統(tǒng)應(yīng)用中從中央控制器到家用電器控制器信號(hào)傳輸過程中有線通信形式布線繁瑣、無線通信方式信號(hào)衰減嚴(yán)重的問題．系統(tǒng)采用的智能家居控制終端可以不受家庭內(nèi)部電線具體連接途徑的限制，不受房屋建筑結(jié)構(gòu)阻擋的影響，只要有普通電力線的地方，就可以安裝智能家居控制終端，實(shí)現(xiàn)“即插即用”，促進(jìn)智能家居系統(tǒng)更加便利地走入千家萬戶．

電力線載波；智能家居；STM32；ES1642

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能家居已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的一個(gè)引人關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)，許多大公司都推出了自己的智能家居系統(tǒng)[1，2]．與在技術(shù)上受到普遍關(guān)注形成對比的是，智能家居目前的實(shí)際應(yīng)用并沒有取得預(yù)期的效果[3]．除了人們對新事物的接受需要過程的因素外，現(xiàn)有通信方式存在的缺陷也是一個(gè)不可忽略的因素[4]．

目前智能家居系統(tǒng)的中央控制器和每個(gè)家用電器之間的數(shù)據(jù)通信主要采用有線通信形式、無線通信形式和紅外遙控3種形式[5]．有線通信形式可靠性較高但是布線比較麻煩，需要把通信電纜連接到每一個(gè)用電器，布線工程量較大．無線通信模式不用另外布線，便于安裝，但是由于墻壁的阻擋，信號(hào)衰減比較嚴(yán)重，尤其是面積比較大的復(fù)式住宅或躍式住宅，墻壁多、距離遠(yuǎn)，很多地方無線信號(hào)很弱，甚至不能到達(dá)．紅外遙控方式只能把中央控制器裝在紅外線可以直接照射到家用電器的地方，多個(gè)房間必須安裝多個(gè)紅外發(fā)射裝置．

而電力線載波技術(shù)克服了上述3種技術(shù)的不足．電力線載波通信（Power Line Communication，PLC），利用普通電力線為通信載體，在發(fā)送端將需要傳送的信息調(diào)制成高頻信號(hào)，通過發(fā)送端的適配器將該高頻信號(hào)加載到電力線，接收端的適配器把收到的高頻信號(hào)解調(diào)出有效的信息，并傳送給與之相連的CPU進(jìn)行處理．電力線載波通信具有：線路覆蓋面廣，無需另外布線；可根據(jù)需要自由組網(wǎng)；傳輸信號(hào)不會(huì)受到障礙物的影響而產(chǎn)生衰減．本研究將電力線載波通信技術(shù)和智能家居技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種更加便利的智能家居系統(tǒng)．

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和功能

智能家居系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

智能家居主控單元通過路由器接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并向網(wǎng)絡(luò)云端發(fā)送家電狀態(tài)信息；主控單元和家電控制單元通過電力線交換信息，包括收集家電狀況并向家電發(fā)送指令．智能家居終端控制單元，包括開關(guān)單元、空調(diào)控制單元、燈光控制單元、語音控制單元、窗簾控制單元等，接收主控單元發(fā)出的指令，控制家用電器進(jìn)行相應(yīng)的操作，同時(shí)可以把家電的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)上傳到主控單元．

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)

2.1 控制單元的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)

智能家居主控單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，一端通過電力線載波模塊連到電力線，接收智能家居控制單元上傳的狀態(tài)信息和參數(shù)信息，同時(shí)可以下發(fā)控制指令．另一端通過路由器連到互聯(lián)網(wǎng)云端．既可以把家電狀態(tài)信息和參數(shù)信息上傳到云端，也可以通過路由器接收云端下發(fā)的各種控制指令．來自云端的控制指令既可以來自WEB應(yīng)用軟件，也可以是來自手機(jī)APP應(yīng)用軟件．

智能家居終端控制單元如圖2（b）所示，既可以通過電力線載波模塊接收來自智能家居主控單元的指令信號(hào)并執(zhí)行該指令，如開關(guān)門、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度等；也可以采集并上傳家電的狀態(tài)信息（如門的開關(guān)狀態(tài)、燈的開關(guān)狀態(tài)等）和參數(shù)信息（如空調(diào)采集到的室內(nèi)溫度、濕度等）到智能家居主控單元．

2.2 系統(tǒng)的控制芯片STM32F103RCT6

系統(tǒng)主控單元和終端控制單元都采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片，STM32系列是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）集團(tuán)的高性能、低成本、低功耗系列嵌入式單片機(jī)．內(nèi)核是ARM的32位Cortex-M3CPU，片上集成256KB的Flash存儲(chǔ)器，具有強(qiáng)大的功能和豐富的內(nèi)部資源，適合多任務(wù)控制、可以接收和處理數(shù)字量信號(hào)和視頻信號(hào)，便于和互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)各單元之間的通信和對家用電器的控制．

2.3 系統(tǒng)的通信模塊ES1642-C

本系統(tǒng)的通信模塊采用小型化、低功耗的PLC數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)模塊ES1642-C．ES1642-C載波模塊核心芯片采用東軟載波科技股份有限公司電力線載波通信芯片SSC1642，芯片內(nèi)部集成了32位處理器，采用DBPSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式傳輸，載波中心頻率1.66 MHz，通信速率2.5~5 kbps，串口波特率9 600 bps，具有靈敏度高、通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[6]．ES1642-C載波模塊原理框圖如圖3所示[6]，SSC1642通過串口與單片機(jī)相連，接收單片機(jī)發(fā)來的信號(hào)，并將信號(hào)加載到高頻信號(hào)上，然后把載有信息的高頻信號(hào)放大后通過耦合電路加載到與模塊相連的電源線上，發(fā)送到其他相連的PLC模塊．

同時(shí)，SSC1642也可以通過電力線，經(jīng)過耦合電路，接收其他電力線載波模塊發(fā)來的通信信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)濾波在SSC1642芯片進(jìn)行解碼，變?yōu)橛行У臄?shù)字信號(hào)，然后把信號(hào)通過串口發(fā)送到與之相連的單片機(jī)串口，從而通過電力線實(shí)現(xiàn)了完整的通信過程[7]．

圖2 控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 ES1642-C載波模塊連接圖[6]

3 軟件系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)的各終端控制單元要完成不同的任務(wù)，例如空調(diào)控制單元主要是采集溫度濕度，并接收主控單元的指令，通過對制冷壓縮機(jī)和風(fēng)扇的控制實(shí)現(xiàn)對溫濕度的調(diào)節(jié)功能；智能燈光控制單元要采集外界光線的強(qiáng)度，并接收主控單元的指令，實(shí)現(xiàn)對燈光亮度的控制．

主控單元需要考慮各終端控制單元傳來的參數(shù)和狀態(tài)，并接收云端發(fā)來的指令，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)智能家居系統(tǒng)的控制．因此，每個(gè)控制單元的CPU都要單獨(dú)編程．主控單元的程序框圖如圖4所示．

主控單元主要實(shí)現(xiàn)信息的上傳和下達(dá)，不斷地和云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，監(jiān)測云端有沒有下發(fā)新的指令，如果接收到新的指令，就要及時(shí)下發(fā)給各終端控制單元執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作．例如開燈關(guān)燈、打開和關(guān)閉空調(diào)、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度等等．

主控單元還要不斷接收終端控制單元上報(bào)的數(shù)據(jù)，例如巡檢燈的開關(guān)狀態(tài)、空調(diào)的溫度、濕度等電器的狀態(tài)．如果有異常情況，例如室內(nèi)溫度異常超限情況和煙感傳感器異常情況等等．接收到異常情況后下發(fā)緊急處理指令，并上傳到云端，及時(shí)通知房主進(jìn)行相應(yīng)的處理．

圖4 主控單元程序框圖

圖5 終端控制單元程序框圖

終端控制單元的功能各不相同，但是信息通信過程比較相似．終端控制單元的程序框圖如圖5所示．

終端控制單元要不斷地和智能家居主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，監(jiān)測主控單元有沒有下發(fā)新的指令，及時(shí)讓家電執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作．

終端控制單元還要不斷巡檢和上報(bào)家電的狀態(tài)和參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常情況后及時(shí)上傳到主控單元，實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警．

4 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

4.1 各模塊功能對比與選型

由于用于電力線載波應(yīng)用的模組種類較多，研究過程中，用ES1642-NC、ES1667-C、ES1667-NC電力線載波通信模塊和埃施朗華公司型號(hào)為EHSSGW的模塊進(jìn)行了對比試驗(yàn)．ES1642系列與ES1667系列的載波調(diào)制方式不同，通信速率和通信距離有所不同．C系列和NC系列不同之處在于C系列內(nèi)置了耦合電路，可以直接連接電力線，NC系列沒有內(nèi)置耦合電路，需要外接耦合電路才能與電力線相連．埃施朗華公司的EHSSGW模塊通信延遲時(shí)間較長．考慮到本系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性有一定的要求，并且C系列模塊內(nèi)置了耦合電路，可以簡化電路，因此選用ES1642-C模塊作為本系統(tǒng)的電力線載波通信模塊．

4.2 電力線載波模塊測試

選擇了2種典型的終端控制單元進(jìn)行測試，一種是開關(guān)量控制單元，可以模擬門、窗、窗簾、燈具的開關(guān)狀態(tài)控制；另一種是進(jìn)行參數(shù)控制的控制單元，適合進(jìn)行空調(diào)溫濕度控制、熱水器溫度控制、燈光亮度控制等．

主控單元需要設(shè)置多種家電的控制策略，同時(shí)完成信息的上傳下達(dá)．

在使用過程中發(fā)現(xiàn)，電力線載波模塊有些性能指標(biāo)在標(biāo)稱值中沒有體現(xiàn)．例如通信信號(hào)的延遲時(shí)間，主控單元CPU（STM32）通過串行口向電力線載波模塊發(fā)出信息后，雖然載波模塊的CPU（SSC1642）馬上就收到了，但是編碼和載波需要時(shí)間，這個(gè)延遲時(shí)間各個(gè)模塊都不相同．在實(shí)際測試中埃施朗華公司型號(hào)為EHSSGW的模塊延時(shí)時(shí)間月2 s．ES1642-C模塊速度較快，延遲時(shí)間100 ms左右，可以滿足本系統(tǒng)的需要．

4.3 通信測試

實(shí)測過程中發(fā)現(xiàn)，電力線載波模塊對通信頻率的要求比較嚴(yán)格．比如通信的波特率要求9 600 bps，51系列單片機(jī)使用12MHZ晶振，只能產(chǎn)生接近9 600 bps波特率，與9 600 bps稍有偏差，結(jié)果通信始終不成功．后來改為11.0592MHZ晶振，通信恢復(fù)正常．

4.4 系統(tǒng)測試

主控單元和終端控制單元都是通過電力線實(shí)現(xiàn)通信，整個(gè)系統(tǒng)通信方式屬于總線結(jié)構(gòu)，所有總線上的信號(hào)每個(gè)單元都可以接收到，因此采用主從式多機(jī)通信模式，每一個(gè)控制單元設(shè)定一個(gè)唯一的地址，保證每個(gè)控制單元只對特定的信息做出正確的響應(yīng)．

信息格式為“起始位+地址幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)碼+結(jié)束位”．主機(jī)和從機(jī)只有在收到起始位并且收到與自己對應(yīng)的地址時(shí)才接收后面的數(shù)據(jù)，對收到的數(shù)據(jù)解析并做出響應(yīng)．同時(shí)采用校驗(yàn)應(yīng)答機(jī)制，如果出現(xiàn)校驗(yàn)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)需重新發(fā)送．經(jīng)過實(shí)際測試，家電的狀態(tài)信息和參數(shù)信息在主從機(jī)之間可以正常傳遞，實(shí)現(xiàn)了信息交換的目標(biāo)．主控單元和各終端控制單元實(shí)現(xiàn)了“即插即用”，完全不用考慮通信電纜的分布問題，在家庭中的任何一個(gè)房間，只要終端控制單元接上電力線，主機(jī)和從機(jī)之間就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的交換，不受墻壁和距離的影響．

將電力線載波技術(shù)（PLC）和智能家居技術(shù)結(jié)合，可以解決在家庭環(huán)境下智能家居通信技術(shù)“最后一公里”的問題，大大提高智能家居進(jìn)入普通家庭的便利性和可靠性，進(jìn)而促進(jìn)智能家居的快速推廣．

[1] 郭春梅，魯械．基于多種無線協(xié)議集成的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2015，51（Ｓ1）：190-194．

[2] 羅洪，楊杰．物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能家居安全探討[J]．信息與電腦，2015（21）：76-78．

[3] 林嫻，林學(xué)偉．基于PLC智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]．太原學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（9）55-57．

[4] 蔡文洋，曾文正，江沛榮，等．基于MI201E 電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（3）：42-46．

[5] 劉其良．基于電力線通信的智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．華北電力技術(shù)，2014（12）：60-63．

[6] 傅濤，林友．ES1642-C載波模塊規(guī)格書[R]．青島東軟載波科技股份有限公司，2017（12）：3-6．

[7] 李玉平，羅友，秦會(huì)斌，等．基于電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子器件，2014（6）：487-492．

Smart Home System Based on Power Line Communication Technology

LU Yong, WANG Yifeng

（）

The paper introduces the application of Power Line Communication technology (PLC) in smart homes, in the hope of designing a more convenient smart home system. This new system not only has the common function, but also can successfully solve the problem of the communication mode in present smart home system. The PLC can avoid both the inconvenience of wired communication mode, and the signal attenuation in wireless communication mode. The PLC control terminal used in this system is neither limited by the connection way of the cable, nor affected by the building structure. As long as there is a common power line, smart home control terminals can be easily connected, making itself a handy domestic appliance for millions of households.

power line communication; smart home; STM32; ES1642

2020-05-15

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年校級(jí)重點(diǎn)資助項(xiàng)目“基于電力線載波技術(shù)的智能家居系統(tǒng)研究”（601822K19010）

路勇，男，河南人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)電氣自動(dòng)化．

TM925

A

1672-0318（2020）05-0019-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.05.004