盛　軍,謝志婉（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南　平頂山　467001）

基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)

盛軍,謝志婉
（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南平頂山467001）

摘要：為簡(jiǎn)化傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并增強(qiáng)其擴(kuò)展性和易用性，提出了一種基于電力線通信技術(shù)結(jié)合智能設(shè)備即插即用的智能家居系統(tǒng)。通過構(gòu)建基于低壓配電網(wǎng)，結(jié)合智能插座，降低智能設(shè)備對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的依賴性，為智能家居系統(tǒng)和電力載波通信技術(shù)的應(yīng)用提出了新的思路。

關(guān)鍵詞：即插即用式；電力載波技術(shù)；智能家居系統(tǒng)

0　引言

電力載波通信由于使用電力線作為載波信號(hào)的傳輸媒介，是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式，因此具有信息傳輸路由合理，穩(wěn)定可靠、可同時(shí)復(fù)用信號(hào)等特點(diǎn)。室內(nèi)家電無須增加雙絞線、紅外線等接口，由于電力線和信號(hào)線合一，只要在內(nèi)部配備電力線載波通信芯片、更新程序，或者使用智能插座，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)原有家電的改造，人們?cè)瓉砑矣秒娖鞯氖褂昧?xí)慣都基本不受影響。電力載波通訊技術(shù)在智能家居應(yīng)用方面有著較廣泛的前景，表現(xiàn)在家電系統(tǒng)控制信息量小，即使電力線載波速度慢也不影響其通信質(zhì)量，在中速率傳輸應(yīng)用方面，具有造價(jià)低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，從多方面來講，基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)占有明顯優(yōu)勢(shì)。

1　基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)整體方案

目前，智能家居系統(tǒng)發(fā)展到了逐步成熟的階段，而且人們組建智能家居系統(tǒng)更具擴(kuò)展性和靈活性。但是在智能家居系統(tǒng)的即插即用組網(wǎng)方面還存在發(fā)展的空間，本文設(shè)計(jì)了基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)的整體方案。

1.1采用電力線傳輸媒介的優(yōu)勢(shì)

以電力載波通信技術(shù)基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)，采用電力線作為唯一通信傳輸媒介。通過對(duì)比目前使用較多的通信方式手段，比如無線、4G技術(shù)，電力線介質(zhì)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)用戶的應(yīng)用需求和市場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)無論從經(jīng)濟(jì)方面、技術(shù)方面，還是可靠性方面，采用電力線傳輸媒介的智能家居系統(tǒng)是較為實(shí)用和完善的方案。

在已經(jīng)建成的住宅中，電力系統(tǒng)是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，因此電線遍布每個(gè)房間。使用電力線傳輸媒介，節(jié)省了無線部署或重新布線的麻煩，當(dāng)然也節(jié)約了大量資金。在每一個(gè)房間都會(huì)有電源插座，只需在電源插座后插入智能插座，或者將房間原有的電源插座替換為擁有通信控制開關(guān)和電力線通信模塊的智能插座，然后通過配置，與家庭網(wǎng)關(guān)連接實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)智能插座的通信控制，家庭網(wǎng)關(guān)再連接ISP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而即簡(jiǎn)單又方便的建立起智能家居系統(tǒng)。電力線傳輸數(shù)據(jù)信息，因其具有安裝簡(jiǎn)單、配置方便靈活，以及較強(qiáng)的擴(kuò)展性，充分滿足了智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求。

1.2智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中，可以將智能家居設(shè)備分為復(fù)雜設(shè)備和簡(jiǎn)單設(shè)備，一般情況復(fù)雜設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)連接能力，簡(jiǎn)單設(shè)備一般不具有網(wǎng)絡(luò)連接能力只有控制開關(guān)功能。傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)備節(jié)點(diǎn)需要解決供電和通信雙重問題，因?yàn)橥ㄐ攀遣捎梅请娏€以外的其他方式，所以成本高。我們使用的智能插座，是具有帶數(shù)據(jù)交互和網(wǎng)絡(luò)通信功能的電源插座，解決了為簡(jiǎn)單設(shè)備供電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接問題。智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)如下：

（1）在系統(tǒng)部署中，根據(jù)應(yīng)用需求，可以隨意地增加或撤除智能插座，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性較好；

（2）有效降低智能家居網(wǎng)絡(luò)部署的復(fù)雜性。使用智能插座可以兼容絕大部分家電設(shè)備，而不需要改動(dòng)原有的家電設(shè)備或者購(gòu)買帶有智能模塊的家電。

（3）智能插座屏蔽了簡(jiǎn)單設(shè)備特定的接口類型和底層通信協(xié)議，智能設(shè)備對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)而言保持了一致性，是家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[1]。

2　智能插座

智能插座除具有供電模塊外，由通信模塊、電流采樣模塊、電壓采樣模塊、報(bào)警模塊組成。通信模塊由福星曉程PLC3000系列載波調(diào)制芯片及控制器、載波發(fā)射模塊、功率強(qiáng)度顯示模塊組成。報(bào)警模塊通過導(dǎo)線溫度采樣異常情況實(shí)現(xiàn)報(bào)警。智能插座模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

智能插座工作原理：

（1）設(shè)備控制：MCU是處理中心，把從電源插頭火線處的電壓、電流互感器采樣的數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)將控制功率強(qiáng)度數(shù)據(jù)采用LED方式顯示。

（2）溫度報(bào)警：在火線絕緣層外安裝溫度傳感器，MCU將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與存儲(chǔ)，然后通過載波通信模塊以一定的時(shí)間間隔把采集的數(shù)據(jù)通過電力線發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫，用于查詢、報(bào)警。

（3）當(dāng)MCU偵測(cè)到電流強(qiáng)度超過預(yù)設(shè)參數(shù)上限；,電流強(qiáng)度持續(xù)在5秒內(nèi)高過預(yù)設(shè)上限，則繼電器斷開，實(shí)現(xiàn)跳閘，同時(shí)功率強(qiáng)度LED指示燈開始閃爍，蜂鳴器開始響起。MCU發(fā)送報(bào)警指令到家庭網(wǎng)關(guān)，向用戶發(fā)送報(bào)警信息。

（4）當(dāng)MCU偵測(cè)到導(dǎo)線溫度超過預(yù)設(shè)參數(shù)上限；MCU處理器開始計(jì)數(shù)，導(dǎo)線溫度傳感器數(shù)據(jù)持續(xù)在5秒內(nèi)高過預(yù)設(shè)上限，則保護(hù)繼電器斷開，實(shí)現(xiàn)跳閘，同時(shí)溫度報(bào)警LED指示燈開始閃爍，蜂鳴器開始響起。MCU發(fā)送報(bào)警指令到家庭網(wǎng)關(guān)，向用戶發(fā)送報(bào)警信息。

3　電力線即插即用式智能家居系統(tǒng)的功能

（1）實(shí)現(xiàn)各種家電設(shè)備的自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制。比如：空調(diào)可以根據(jù)室內(nèi)、外溫度變化自動(dòng)調(diào)整,始終保持令人舒適的室內(nèi)溫度,用戶也可以遠(yuǎn)程控制開關(guān)空調(diào)?？梢赃h(yuǎn)程控制廚房家電，電磁爐、電飯鍋、微波爐等，提前做出可口的飯菜?？梢钥刂菩l(wèi)生間浴室的熱水器的開關(guān)與溫度，可以再你會(huì)見前就準(zhǔn)備好洗澡水?？梢钥刂萍彝ビ霸合到y(tǒng)定時(shí)或隨時(shí)播放背景影音等。

（2）具有安全預(yù)警功能。比如可以實(shí)現(xiàn)非法闖入報(bào)警，水、煤氣泄漏、火災(zāi)報(bào)警，關(guān)鍵部位現(xiàn)場(chǎng)拍照錄像，當(dāng)有人員入侵，自動(dòng)向用戶發(fā)送報(bào)警信息,同時(shí)啟動(dòng)相關(guān)電器,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防范。

（3）能夠水、電、氣、熱表等遠(yuǎn)程抄表功能,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)家庭與物業(yè)管理公司的聯(lián)系

（4）家庭各房間可以利用智能插座通信功能，實(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，免除穿墻布線的麻煩。

（5）具有大數(shù)據(jù)功能。智能信息家電可以通過網(wǎng)絡(luò)直接從家電制造商的服務(wù)網(wǎng)站相連，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，搜集用戶使用習(xí)慣，為用推送更新驅(qū)動(dòng)程序及診斷程序,實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程故障自診斷和智能化新功能擴(kuò)展。

4　結(jié)論

通過研究開發(fā)了基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)，使用即插即用式智能插座，降低家庭網(wǎng)關(guān)與智能家電設(shè)備的依賴性。利用電力載波技術(shù)，使用電力線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與供電控制合二為一，避免了繁瑣的網(wǎng)絡(luò)布線或無線設(shè)備部署，即有效滿足了智能家居的實(shí)用性，有提高了設(shè)備的可靠性和兼容性，同時(shí)具有良好的抗干擾能力，從而為利用電力載波技術(shù)和智能家居系統(tǒng)應(yīng)用提供了新的思路與發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇詩薦,章杰,林培杰,戴曼娜,程樹英.一種即插即用的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(22):4-7.

[2]邵鵬飛,王喆,張寶儒.面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(02):474-479.

[3]宋倩,李祥珍.基于電力線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)通信,2004,12(01):40-43.

[4]肖曉霞.基于Jini技術(shù)的智能家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用探討[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào),2009,31(02):65-67.

[5]福州大學(xué).帶數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通訊功能的智能插座:中國(guó)，201320336673.5[P].2013,12(04).

作者簡(jiǎn)介：盛軍（1977-），男，碩士，講師，研究方向：機(jī)電一體化，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。