林 嫻,林學(xué)偉

(福建師范大學(xué)福清分校,福建 福清 350301)

引言

智能家居誕生于上世紀(jì)八十年代,隨后進(jìn)入我國(guó),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科技的快速發(fā)展,計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)水平的全面提升讓人們逐漸認(rèn)可和接受,物聯(lián)網(wǎng)概念的進(jìn)一步普及,讓智能家居終端不僅在單個(gè)家電中實(shí)現(xiàn)智能化與自動(dòng)化,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)智能家居系統(tǒng)[1-2]。構(gòu)建智能家居系統(tǒng),就是在搭建一個(gè)集便利性、舒適性和安全性為一體的家居環(huán)境,有助于提升居住品質(zhì)。采用PLC電力載波通訊技術(shù),可以在家居系統(tǒng)中廣布節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)由利用傳感器、控制系統(tǒng)、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控,家居系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制[3]。

本文設(shè)計(jì)一種以PLC電力線載波通訊技術(shù)為核心,完成便捷控制,實(shí)現(xiàn)具備智能照明、窗簾和電器自動(dòng)化控制、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器、用戶終端、智能家庭網(wǎng)關(guān)、電力線、家電設(shè)備等組成。

1 智能家居系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要遵守系列原則,首先是終端軟件必須具備友好的用戶界面,操作方法直觀簡(jiǎn)單,清楚展示用戶需要的所有信息;其次是硬件設(shè)計(jì)滿足安全和穩(wěn)定的要求,硬件模塊要符合測(cè)試要求,設(shè)置基本的電路意外保護(hù)措施,防止程序進(jìn)入異常狀態(tài);第三是云端服務(wù)器要提供穩(wěn)定的服務(wù)器,服務(wù)端調(diào)用服務(wù)要經(jīng)過(guò)加密處理,確保數(shù)據(jù)安全;最后是系統(tǒng)要具備良好的可擴(kuò)展性,用戶能夠自由定制服務(wù),滿足個(gè)性化需要[4-6]。

1.1 智能家居系統(tǒng)設(shè)備控制功能

1)智能窗簾控制。通過(guò)遙控設(shè)備觸發(fā)窗簾的控制電機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的智能化控制,同時(shí)要滿足窗簾控制的定時(shí)操作功能。

2)智能照明系統(tǒng)。智能照明系統(tǒng)就是通過(guò)控制面板或者遙控控制的方式對(duì)家中燈具進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)一鍵開(kāi)關(guān)。

3)智能家電控制。通過(guò)觸發(fā)遙控器與插座之間的連接,實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)、電視機(jī)等家電設(shè)備的自動(dòng)控制。

4)家居環(huán)境安全性管理。在智能家居環(huán)境中設(shè)置煤氣傳感器、煙霧傳感器、濕度傳感器、距離傳感器等設(shè)備,采集空間中的各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),確保家居環(huán)境的安全,避免發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏、盜竊等安全事件。

按智能家居系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)方案

1.2 其他功能

1)智能家居控制系統(tǒng)的終端設(shè)備可以在戶外或者戶內(nèi)通過(guò)遠(yuǎn)程、近程控制的方式獲取家中設(shè)備運(yùn)行情況，并根據(jù)需求進(jìn)行智能控制。

2)用戶可以采用移動(dòng)終端APP的模式管理智能家居設(shè)備,支持設(shè)備的個(gè)性化圖標(biāo)和名稱設(shè)置,如果使用其他終端登陸時(shí),只需要切換賬號(hào)即可同步該用戶中的所有智能家居設(shè)備數(shù)據(jù)。

3)采用云終端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)用戶下全部設(shè)備信息的保存管理,記錄用戶的運(yùn)行日志、系統(tǒng)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)等,為后期維護(hù)提供支撐。

4)用戶可以根據(jù)需要,自由設(shè)定定時(shí)操作任務(wù),讓設(shè)備自動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作。

2 基于PLC的智能家居控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為保證智能家居系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性要求,選擇PLC作為智能家居系統(tǒng)的通訊技術(shù),采用多種功能的傳感器搭建分布式變量信息采集系統(tǒng)。采用SMS信息技術(shù)和GSM技術(shù)相結(jié)合模式,保證系統(tǒng)符合網(wǎng)絡(luò)化和穩(wěn)定化建設(shè)要求。在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,要保證系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性,能夠滿足不同用戶的個(gè)性化定制需求。

2.1 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

我國(guó)多數(shù)家庭格局都是三室一廳或者兩室一廳的構(gòu)成,在這種家居環(huán)境下,智能家居系統(tǒng)的使用要實(shí)現(xiàn)家用電器的智能控制,同時(shí)保證家居環(huán)境的安全性。按照房?jī)r(jià)格局和位置特點(diǎn),采用近程紅外遙控和遠(yuǎn)程以太網(wǎng)控制兩種控制方式,實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1)智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)：智能網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與室內(nèi)電力線局域網(wǎng)的融合. 主要功能有：與 PC 通信配置相關(guān)參數(shù)，并保存到存儲(chǔ)單元中，這些參數(shù)包括網(wǎng)關(guān) ID，智能插座信息以及服務(wù)器 IP 和端口號(hào)等必要參數(shù)；定時(shí)采集家庭內(nèi)所有智能插座及智能開(kāi)關(guān)的信息；定時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器；響應(yīng)服務(wù)器的實(shí)時(shí)控制和讀取命令。

2)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。智能家居系統(tǒng)中,電源穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在整個(gè)系統(tǒng)中,信息發(fā)送模塊、主控模塊、傳感器控制模塊都需要穩(wěn)定的直流電壓。按照使用要求,設(shè)置簡(jiǎn)單可靠的串聯(lián)穩(wěn)壓模塊,經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓之后獲取符合要求的電壓。電源電路的作用是將220V的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?2V和5V的直流電壓。

3)PLC通信模塊設(shè)計(jì)。PLC通信模塊是安裝在通信設(shè)備整機(jī)內(nèi)的,負(fù)責(zé)與顯示面板之間的通信,同時(shí)要承擔(dān)與終端網(wǎng)關(guān)之間的通訊。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)芯片主要負(fù)責(zé)接收INT6400傳遞的數(shù)據(jù),并且將其處理轉(zhuǎn)化,傳遞給RJ45接口如圖2所示。業(yè)務(wù)處理芯片按照通訊協(xié)議解析數(shù)據(jù),將其傳遞給家電面板上的MCU,同時(shí)家電傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)打包傳送給INT6400。

圖2 通信終端結(jié)構(gòu)示意圖

PLC通訊模塊不僅整合在智能網(wǎng)關(guān)中,同時(shí)要整合在家電和傳感器主板中,和PLC網(wǎng)絡(luò)相互連接如圖3所示。

圖3 PLC通信設(shè)備硬件構(gòu)成

4)AP模塊設(shè)計(jì)。AP模塊是基于PLC的智能家居系統(tǒng),主要組成有WiFi芯片、PLC控制芯片以及外圍電路。經(jīng)過(guò)AP模塊,能夠?qū)iFi信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏d波信號(hào),實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)與互聯(lián)網(wǎng)的溝通交流,讓用戶可以通過(guò)控制智能終端的方式實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)對(duì)家居設(shè)備的智能控制[7-8]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,已經(jīng)有非常豐富多彩的WiFi芯片模組。從該系統(tǒng)的實(shí)際需求出發(fā),制定一款穩(wěn)定、安全、操作簡(jiǎn)單、具備STA功能的WiFi數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)中的WiFi透?jìng)髂K選擇WG1300-UART-S0型的設(shè)備,該款產(chǎn)品的功耗和成本較低,其中集成了一鍵式配置,操作簡(jiǎn)單,不需要加載外軟件配置,便于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的WiFi轉(zhuǎn)串口。AP模塊的主要作用是將數(shù)據(jù)從電力載波傳遞到WiFi,其外圍電路的設(shè)計(jì)和通信終端的外圍電路一致。

3 硬件驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用層功能

PLC模塊軟件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層可以分為七個(gè)部分,EUI地址分配和獲取;控制端解析下發(fā)命令;應(yīng)用層數(shù)據(jù)的組幀;將數(shù)據(jù)發(fā)送給NET層或者PHY層;接受下端發(fā)送的數(shù)據(jù)；解析應(yīng)用層的數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)上報(bào)至控制端。

在系統(tǒng)上電之后,應(yīng)用層首先執(zhí)行EUI地址分配和獲取代碼,然后狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài),如果控制端請(qǐng)求將數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線,那么應(yīng)用層執(zhí)行的步驟是解析控制端命令;應(yīng)用層數(shù)據(jù)組幀;將數(shù)據(jù)發(fā)送到NET層或者PHY層;等待數(shù)據(jù)是否成功,如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功或者發(fā)送超時(shí),則應(yīng)用層返回空閑狀態(tài)。

應(yīng)用層接受電力線傳送的數(shù)據(jù),首先是查詢NET層或者PHY層有數(shù)據(jù)發(fā)送事件;其次是接受數(shù)據(jù);在應(yīng)用層解析數(shù)據(jù);上報(bào)數(shù)據(jù)到控制端,應(yīng)用層跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)。

3.2 通信協(xié)議

電力信號(hào)傳輸協(xié)議采用的是TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)秘鑰認(rèn)證機(jī)制,信號(hào)在不同智能家居設(shè)備之間傳輸時(shí),要按照相同的通訊協(xié)議和秘鑰連接即可以實(shí)現(xiàn)通訊。

參考通信芯片應(yīng)用層協(xié)議格式,修改形成符合系統(tǒng)功能的協(xié)議幀結(jié)構(gòu):

起始符地址域起始符控制碼數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度數(shù)據(jù)域校驗(yàn)碼結(jié)束符

起始符表示一個(gè)信號(hào)的開(kāi)始;地址域是12位的十進(jìn)制數(shù),地址域和物理層信道無(wú)關(guān),每一個(gè)設(shè)備都有獨(dú)立的12位通信地址;控制碼包括D0-D7,D7表示信號(hào)傳達(dá)方向、D6表示從站的信號(hào)應(yīng)答標(biāo)志、D5表示后續(xù)幀標(biāo)志,D4-D0表示功能碼,00000、11111、00100、00101、00110分別表示的是“保留”、“復(fù)位”、“關(guān)”、“開(kāi)”、“查詢狀態(tài)”;數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度表示數(shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)量;數(shù)據(jù)域包括密碼、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)表示、操作者代碼等;校驗(yàn)碼發(fā)揮信息校驗(yàn)作用;結(jié)束符是幀信息結(jié)束的標(biāo)志。

3.3 設(shè)備接入方式

智能家居系統(tǒng)允許兩種不同的設(shè)備接入方式:第一種是在設(shè)備和終端都留有接口,信號(hào)線連接時(shí)新設(shè)備自動(dòng)的發(fā)送注冊(cè)的指令,終端接收到指令之后自動(dòng)給新設(shè)備發(fā)送協(xié)議、MAC地址和網(wǎng)絡(luò)秘鑰,完成新設(shè)備自動(dòng)組網(wǎng)。第二種模式是在新設(shè)備上設(shè)置按鍵,發(fā)送一個(gè)脈沖的信息注冊(cè)消息,在新設(shè)備上按注冊(cè)鍵,新設(shè)備自動(dòng)通過(guò)電力線發(fā)送注冊(cè)信息,終端服務(wù)設(shè)備回傳注冊(cè)的確認(rèn)信息,如果雙方的注冊(cè)信息一致,則自動(dòng)組網(wǎng)完成。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC電力載波通訊技術(shù)的智能家居系統(tǒng),利用不同的傳感器對(duì)智能家居系統(tǒng)中的變量進(jìn)行檢測(cè)收集,在數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù),PLC主控制器收到這些信號(hào)之后完成系統(tǒng)控制操作。討論智能家居系統(tǒng)的主要硬件模塊和軟件部分的設(shè)計(jì),形成符合智能化、穩(wěn)定性和安全性的智能家居管理系統(tǒng),具有良好的理論以和實(shí)踐價(jià)值。