基于電力線和嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

摘要：本文針對(duì)智能家居系統(tǒng)的高成本的特點(diǎn)和架構(gòu)的復(fù)雜性，將系統(tǒng)架構(gòu)在電力線通信基礎(chǔ)上。首先討論了其發(fā)展前景，然后分析電力線作為智能家居系統(tǒng)的一些主要的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及缺點(diǎn)的解決方案，再從系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件設(shè)置來詳細(xì)設(shè)計(jì)基于電力線和嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電力線；ARM；智能家居

引言

智能家居又稱智能住宅，作為一個(gè)系統(tǒng)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制等技術(shù)，將與家庭生活有關(guān)的各種應(yīng)用子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過綜合管理，讓家庭生活更舒適、安全、有效和節(jié)能。

目前智能家居的發(fā)展中遇到的最大問題是沒有統(tǒng)一的、低成本的、跟網(wǎng)絡(luò)相連的家庭內(nèi)部智能控制網(wǎng)。電力線通信作為最近幾年迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，以其無需重新布線的優(yōu)勢(shì)，得到了各方面的廣泛關(guān)注?；陔娏€的智能家居產(chǎn)品要想真正進(jìn)入市場成本是關(guān)鍵，而這取決于采用什么技術(shù)實(shí)現(xiàn)這些產(chǎn)品。近年來嵌入式技術(shù)的發(fā)展極為迅速，已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，基于電力線的智能家居也可采用這一技術(shù)。

1 前景

目前國內(nèi)外基于電力線的智能家居系統(tǒng)還處于起步階段，很多企業(yè)已經(jīng)啟動(dòng)智能家居項(xiàng)目，其初期的產(chǎn)品已出現(xiàn)在市面。電力線通信在歐洲發(fā)展的較快，德國與英國是目前僅有制定電力線通信規(guī)則的兩個(gè)國家。在中國，基于電力線的智能家居系統(tǒng)也開始發(fā)展起來。在北京開通了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)，也取得了大量的第一手工程資料，這是一個(gè)很好的開端。至于何時(shí)能進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)和運(yùn)營還要綜合考慮技術(shù)性能、成本核算和符合國家有關(guān)環(huán)境政策等方面的問題。隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，中國的智能家居行業(yè)必將迅速發(fā)展起來。

智能家居市場前景非?？捎^，據(jù)預(yù)測，中國未來五年內(nèi)智能家居相關(guān)產(chǎn)品將形成達(dá)到800億元的市場規(guī)模。在中國這個(gè)擁有近十四億人口的大市場，這對(duì)于生產(chǎn)商來說無疑是一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)，而基于嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)將建立在低成本上，而且架構(gòu)和操作都很方便，有較強(qiáng)的競爭力。

2 特點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

智能家居與普通家居相比，不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，還能提供舒適安全、高效節(jié)能、具有高度人性化的生活空間。將一批原來被動(dòng)、靜止的家居設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂衆(zhòng)"智慧\"的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效地安排時(shí)間，增強(qiáng)家庭生活的安全性，并為家庭節(jié)省能源費(fèi)用等。而且如果采用已經(jīng)成熟的電力線系統(tǒng)，重新布線的成本將沒有，直接將家庭電力線通過電力線調(diào)制解調(diào)器接入Internet，既可以通過電力線上網(wǎng)，也可遠(yuǎn)程控制家電。

2.1 缺點(diǎn)及解決方案

電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制。電力線是一根非均勻分布的傳輸線，使得高頻信號(hào)在傳輸時(shí)存在衰減，低壓電力線上的輸入阻抗與所傳輸?shù)男盘?hào)頻率成正比。實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)的衰減是距離的函數(shù)，低壓電力線在1S內(nèi)可對(duì)某一頻率信號(hào)的衰減變化達(dá)到20dB，信噪比的變化也可達(dá)到10dB左右。低壓電力線上并連著的許多負(fù)載對(duì)信號(hào)衰落影響很大，另外在電力線傳輸信號(hào)對(duì)相位的影響也不容忽視。

針對(duì)這些缺點(diǎn)，智能家居系統(tǒng)可以采用正交多載波調(diào)制來克服低壓電力線信道較差的信道條件，選取9到150kHz范圍內(nèi)的7組共28個(gè)互相正交的載波頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，具體采用哪組頻率可根據(jù)實(shí)際的信道情況靈活選擇。

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)準(zhǔn)備采用三星公司S3C44B0的ARM7為平臺(tái)，以電力線為家庭內(nèi)部通信媒介，構(gòu)建了一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)控制、短信控制和溫度報(bào)警、載波通信等通信和控制手段的智能家居系統(tǒng)。S3C44B0良好的性能，使整個(gè)系統(tǒng)只需用一片MCU進(jìn)行控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

本系統(tǒng)分為以下四個(gè)主要功能模塊：

①電力線通信。利用S3C44B0開發(fā)板的PWM和ADC模塊，輔以外圍濾波、耦合電路，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力線載波的調(diào)制和解調(diào)。以電力線為通信媒介，可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的控制。

②短信控制和報(bào)警?？梢酝ㄟ^發(fā)短信，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)家庭內(nèi)部出現(xiàn)異常（如溫度過高），可以發(fā)出短信報(bào)警。

③網(wǎng)絡(luò)控制。利用S3C44B0開發(fā)板的Ethernet模塊，設(shè)計(jì)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可以通過Internet或Ethernet遠(yuǎn)程登錄，以控制或查看家用電器的狀態(tài)。

④具有鍵盤輸入、LED顯示等人機(jī)接口，操作方便，系統(tǒng)狀態(tài)一目了然。

4 軟件模塊描述

本系統(tǒng)基于uC/OS-II操作系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件主要由中斷處理函數(shù)、各個(gè)用戶任務(wù)組成。主要的兩個(gè)模塊如下。

①電力線通信模塊。電力線通信需要至少兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都連接到電網(wǎng)上，S3C44B0開發(fā)板通過ADC模塊，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后調(diào)用函數(shù)進(jìn)行解調(diào)，最后將解調(diào)結(jié)果定標(biāo)后，通過DAC輸出。電力線通信模塊的程序是獨(dú)立出來的，而其它幾個(gè)部分是集成在uC/OS-II操作系統(tǒng)下面運(yùn)行的，由各個(gè)任務(wù)和中斷服務(wù)程序組成。

②網(wǎng)絡(luò)模塊。分為服務(wù)器端和客戶端進(jìn)行通訊。

在服務(wù)器端，首先創(chuàng)建套接字，然后使本地IP和端口與套接字相連，接著開始監(jiān)聽并設(shè)定監(jiān)聽的連接數(shù)為2，然后等待客戶的連接，連接成功返回連接序號(hào)，接收客戶端請(qǐng)求，根據(jù)接收到的請(qǐng)求數(shù)據(jù)判斷請(qǐng)求類型并作出相應(yīng)處理，這里的處理主要是返回各種頁面，這些頁面都是以數(shù)組的形式存放在Flash里，再發(fā)出頁面數(shù)據(jù)，同時(shí)完成修改密碼以及對(duì)電器的遠(yuǎn)程控制等操作，最后關(guān)閉連接。

在客戶端，建立連接的過程與服務(wù)器端相似，連接建立起之后，發(fā)送一個(gè)HTTP請(qǐng)求報(bào)頭，接著接收遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)回的應(yīng)答報(bào)頭并開始接收實(shí)體內(nèi)容，因?yàn)槊看巫疃嘀荒芙邮?460個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以需分組接收。最終需要的數(shù)據(jù)在第四組接收到的數(shù)據(jù)包里，為了節(jié)省存儲(chǔ)器空間，對(duì)于前面三組數(shù)據(jù)，每次接收完之后都要將接收緩沖區(qū)清空，最后從第四組數(shù)據(jù)包中提取出關(guān)于天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)，關(guān)閉連接。

5 結(jié)語

基于電力線和嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)有不需要重新布線，技術(shù)先進(jìn)，使用方便，成本低的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際市場中，可根據(jù)用戶的不同需求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，并且通過實(shí)驗(yàn)證明整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件功能都可以完成。該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)完成后改用PCB制作成完整的系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。