CN102891783A - 利用电力线组网的智能家居系统及其建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用电力线组网的智能家居系统，其包括控制器模块、综合控制器模块、执行器模块、电力线通信接口、组态软件、虚拟控制单元，控制器模块或综合控制器模块接收输入的控制信息和产生控制命令，所述执行器模块完成控制命令，控制器模块、综合控制器模块、执行器模块均通过电力线通信接口连接于电力线，电力线通信接口通过电力线传输控制数据，该电力线通信接口采用Home Plug 1.0-Turbo或Home Plug AV通信协议，控制器模块、综合控制器模块、执行器模块之间采用TCP/IP协议，虚拟控制单元由控制器模块或综合控制器模块、执行器模块组成，完成控制功能，组态软件根据控制功能，将输入设备与输出设备之间建立逻辑关联关系及事件关系，以形成数个虚拟控制单元。

Description

利用电力线组网的智能家居系统及其建立方法

技术领域

本发明涉及一种家居管理系统，尤其涉及一种利用电力线组网的智能家居系统及其建立方法。

背景技术

我国的智能家居行业兴起于上世纪九十年代末期，随着人们生活水平地不断提高，智能家居系统以其极强的高效性、便捷性以及智能性受到人们的青睐，从而得到快速发展，在家居电子设备越来越倾向于一体化的今天，智能家居系统拥有极大的市场空间。

然而，在现有的智能家居实现模式中，由于很多电子设备的采用不同的通信协议，因此在布线方式需采用综合布线的方式，这样的就会导致布线系统很复杂，而且一般需要在家居设计初期就进行布线设置，对于已经建成的家居无法进行智能化改造，或者改造成本很高。而如果是采用无线网络方式，则需要在每一个家电内增加一个无线接收模块，这样的改造成本依然很高，并且由于无线网络是采用电磁波传输，一是传输质量不如有线稳定，并且长期生活在大量电磁波辐射的环境下，人们的身体健康也会受到影响，比如容易感到疲劳甚至干扰内分泌等。在控制方面，现有的智能家居系统一般是采用集中控制的方式，这样在控制便捷性上表现良好，但是如果中央控制器损坏或者故障，就会使整个智能家居系统瘫痪，会造成不必要的损失。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种智能家居系统，其采用电力线组网，采用有线传输的方式，并且采用分布式网络管理，能够有效地对现有家居系统进行改造，成本较低。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用电力线组网的智能家居系统，其包括控制器模块、综合控制器模块、执行器模块、电力线通信接口、组态软件、虚拟控制单元，所述控制器模块或综合控制器模块接收输入的控制信息和产生控制命令，所述执行器模块完成控制命令所规定的执行动作，所述控制器模块、综合控制器模块、执行器模块均通过电力线通信接口连接于电力线，所述电力线通信接口通过电力线将控制器模块或综合控制模块产生的控制数据传输至执行器模块或综合控制器模块，并对输出设备进行控制，所述电力线通信接口采用Home Plug 1.0-Turbo或HomePlug AV通信协议，所述控制器模块、综合控制器模块、执行器模块内的设备之间采用TCP/IP协议进行数据传输，所述虚拟控制单元由控制器模块或综合控制器模块、执行器模块组成，完成控制功能，所述组态软件是根据控制功能，将输入控制设备与输出执行设备之间建立逻辑关联关系及事件关系，以形成数个虚拟控制单元。

上述的利用电力线组网的智能家居系统，其中，所述每个虚拟控制单元内一个输入的控制器模块或综合控制模块对应于至少一个输出的执行器模块或综合控制模块。

上述的利用电力线组网的智能家居系统，其中，所述每个虚拟控制单元内至少一个输入的控制器模块或综合控制器模块对应于一个输出的执行器模块或综合控制模块。

上述的利用电力线组网的智能家居系统，其中，所述控制器模块包括输入设备，所述输入设备连接于单片机，所述单片机的网络接口连接于电力线接口芯片，所述电力线接口芯片连接于电力线接口，所述电力线接口连接电力线，所述电力线接口芯片包括Home Plug通信协议的电力线适配器。

上述的利用电力线组网的智能家居系统，其中，所述执行器通过电力线接口连接电力线，电力线接口连接于电力线接口芯片，电力线接口芯片连接于单片机的网络接口，单片机的I/O连接于控制逻辑，控制逻辑连接到用电器，所述电力线接口芯片包括Home Plug通信协议的电力线适配器。。

上述的利用电力线组网的智能家居系统，其中，所述综合控制模块包括单片机，单片机上设置数个输入/输出设备接口，所述单片机的网络接口连接于电力线接口芯片，所述电力线接口芯片连接于电力线接口，所述电力线接口连接电力线，所述电力线接口芯片包括Home Plug通信协议的电力线适配器。

上述智能家居系统的建立方法，其组态过程如下

(1)收集各物理节点的MAC地址，并对节点识别，设置各物理节点的IP地址及缺省的配置参数；

(2)根据功能建立相应的虚拟控制单元，再根据虚拟控制单元的功能要求选取物理节点，并建立物理节点之间的逻辑关联关系及事件关系；

(3)将建立逻辑关联关系及事件关系后的物理节点参数下发到对应的物理节点中，并保存系统配置文件到本地。

上述的建立方法，其还包括一个网络加密步骤，将用户设置的网络密码用MD5加密算法生成网络加密值，采用该网络加密值对逻辑网络进行加密。

由于具有上述结构，本发明相比现有技术有以下优点：

1、本发明利用电力线组网的智能家居系统，采用电力线有线连接组成家居网络，其改造成本较低，且无辐射。

2、本发明利用电力线组网的智能家居系统，采用以太网通信协议，适合大部分标准设备，网络扩展性较强。

3、本发明利用电力线组网的智能家居系统，各家居设备连接到电力线总线，任何一个设备损坏，不影响整个系统，稳定性好。

附图说明

图1为本发明组态流程图。

图2为本发明控制器模块的模块图。

图3为本发明执行器模块的模块图。

图4为本发明综合控制器模块的模块图。

图5为本发明虚拟控制单元内的一种模块对应图。

图6为本发明虚拟控制单元内的另一种模块对应图。

图7为本发明虚拟控制单元内的第三种模块对应图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明利用电力线组网的智能家居系统，包括控制器模块、综合控制器模块、执行器模块、电力线通讯接口、组态软件、虚拟控制单元，所述控制器模块接收输入的控制信息，所述综合控制器模块接收输入的控制信息和产生控制信息，所述执行器模块完成控制信息所规定的执行动作，所述控制器模块、综合控制器模块、执行器模块均通过电力线通信接口连接于电力线，所述电力线通信接口通过电力线将控制器模块或综合控制模块产生的控制数据传输至执行器模块或综合控制器模块，并对输出设备进行控制，所述电力线通信接口采用Home Plug 1.0-Turbo或Home Plug AV通信协议，所述控制器模块、综合控制器模块、执行器模块内的设备之间采用TCP/IP协议进行数据传输，所述虚拟控制单元由控制器模块或综合控制器模块、执行器模块组成，完成实际的控制功能，所述组态软件是根据控制功能，将输入控制设备与输出执行设备之间建立逻辑关联关系及事件关系，以形成数个虚拟控制单元。

其中如图2所示，该控制器模块包括输入设备，所述输入设备连接于单片机，所述单片机的网络接口连接于电力线接口芯片，所述电力线接口芯片连接于电力线接口，所述电力线接口连接电力线，即220V家用交流电源线，所述接口芯片包括Home Plug电力线以太网适配器。如图3所示，该执行器模块控制用电器，所述执行器通过电力线连接于控制逻辑，控制逻辑一端通过电力线连接于外部，另一端连接于单片机的输出端，单片机的网络接口连接于接口芯片，所述接口芯片连接于电力线接口，电力线接口连接电力线总线，即220V家用交流电源线，该电力线接口芯片包括Home Plug通信协议的电力线适配器。如图4所示，该综合控制模块包括单片机，单片机上可以设置数个输入/输出设备接口，如网络接口、电话接口、LCD接口等等，所述单片机的网络接口连接于电力线接口芯片，所述电力线接口芯片连接于电力线接口，电力线接口连接电力线，即220V家用交流电源线，该电力线接口芯片包括Home Plug通信协议的电力线适配器。当综合控制模块上的单片机接收控制命令时，该综合控制模块形成等同的执行器模块；当综合控制模块接收到控制命令产生新的控制命令时，该综合控制模块形成等同的控制器模块。

上述结构的智能家居系统将设备连接后，采用以下方式建立逻辑网络：

(1)收集各物理节点的MAC地址，并对节点识别，设置各物理节点的IP地址及缺省的配置参数；各物理节点是指控制器模块、综合控制器模块及执行器模块；

(2)根据功能建立相应的虚拟控制单元，再根据虚拟控制单元的功能要求选取物理节点，并建立物理节点之间的逻辑关联关系及事件关系；

(3)将建立逻辑关联关系及事件关系后的物理节点参数下发到对应的物理节点中，并保存系统配置文件到本地。

对上述建立的逻辑网络采用网络加密，将用户设置的网络密码用MD5加密算法生成网络加密值，采用该网络加密值对逻辑网络进行加密。其具体步骤过程如下：用户设置一个网络密码，然后根据MD5加密算法生成一个网络加密值(NEK)，例如可以为一个64Bit的值，数个Home Plug电力线以太网适配器共享一个公共的网络加密值(NEK)，以使逻辑网络内的物理节点之间能够传输信息，如果用户未设置，两个或几个则采用缺省加密值(DEK)，DEK是设备制造商对每个设备设置的密码。

步骤(1)中对节点进行识别后进行参数配置需要预先在组态软件中建立节点信息库，所述节点信息库中每一个节点的信息至少包括以下几项：1、每个物理节点属性的数据结构；2、描述每个物理节点的工作环境和参数；3、节点图标(为一个图形文件)；4、初始的工作参数。

每个物理节点的属性包括两类属性：系统属性及设备属性。系统属性是描述每个物理节点的操作方式，分为两种：控制(输入)-C属性、执行(输出)-P属性。控制器模块具备C属性，执行器模块具备P属性，由于综合控制模块既可以接输入设备，也可以接输出设备，因此其同时具有C属性和P属性。系统属性的数据结构如下：

其中：BIT 6～7＝11综合控制模块同时具有两种属性：P和C；

BIT 6～7＝00，BIT 0～2＝000、BIT 3～5＝111为P属性；

BIT 0～2＝111、BIT 3～5＝000为C属性；

设备属性是描述每个物理节点的工作状态和参数。设备属性说明了设备的工作方式。设备属性的数据结构如下：

其中：BIT 7＝0逻辑状态值(0/1)

BIT 7＝1可变数字状态值

BIT 6～0：状态值的数值

步骤(2)中，建立不同功能的虚拟控制单元，再选取能够完成虚拟控制单元功能的各物理节点，根据事件的属性建立逻辑关联关系，事件属性分为两类：1、系统事件：全局(对全部虚拟控制单元有效)；2、区域事件：局部(只对某一个虚拟控制单元内有效)。事件总体上可以划分为两类：1、每个物理节点的状态和参数；2、控制命令，控制命令分为全局和局部。事件的编码结构如下：

第1个字节定义虚拟控制单元的ID 7位，最多可以建立128个虚拟控制单元，每个虚拟控制单元在系统中都有唯一的ID，而每个物理节点在每个虚拟控制单元中都有唯一的ID。BIT7＝0，当BIT7＝1时，作用域是全部的性能控制单元；第2字节是每个性能控制单元中物理节点的ID；第3字节定义控制命令/物理节点的状态与参数，长度8位，BIT7＝0为控制命令，BIT7＝1为控制命令对应物理节点的状态与参数；第4字节的BIT.7-BIT.4备用，BIT.3-BIT.0定义为子节点的地址编码，对应于每个物理节点内的控制通道号；第5字节～第8字节是命令的参数与状态。

上述事件中的控制命令/状态和参数，将其定义为对象，在整个系统中，预定义了13个对象如下所示：

除了根据功能和事件属性建立逻辑关联关系，还应当根据网络地址(IP/MAC)和产品信息来建立逻辑关联关系，建立连接关联关系的准则是根据系统属性：控制(输入)-C属性、执行(输出)-P属性。控制器模块具备C属性，执行器模块具备P属性；同属性不能进行关联，只能C、P两种属性可以关联。

产品信息的数据结构如下：

建立逻辑关联关系应当遵循以下原则：P属性的物理节点与C属性的物理节点才可以做逻辑关联，由于已经将命令/状态预定义了上述对象，因此也可以将物理节点与包含相关对象的设备建立逻辑关联关系。

将物理节点之间建立逻辑关联关系后，形成数个不同功能的虚拟控制单元，每个虚拟控制单元定义自身一个物理节点和至少一个与它关联的物理节点；而每个物理节点可以包含在不同的虚拟控制单元中。

如图1所示，本发明的智能家居系统的网络建立流程如下：

(1)在系统初始状态时，安装在本地计算机上的组态软件检测系统是否完成组态，如果未完成则向系统中的每个物理节点发布命令，得到每一个物理节点的MAC地址，并形成一个地址列表；

(2)进行产品识别(比如识别每个物理节点的产品型号)，在将产品识别的信息与预先建立的产品信息库中的信息比对，从产品信息库中找到相应的产品图标，并对各物理节点设置对应的IP地址和缺省的配置参数；

(3)检测是否完成物理节点配置，如果未完成则继续进行物理节点配置，如果完成则建立虚拟控制单元；

(4)根据功能的不同建立数个虚拟控制单元，并生成虚拟控制单元ID列表，每个虚拟控制单元在系统中具有唯一的ID；

(5)根据虚拟控制单元的功能和逻辑关联原则选取配置完成后的物理节点；再根据逻辑关联原则和事件属性建立物理节点之间的逻辑关联关系和事件关系；将建立好逻辑关系的物各理节点的地址添加进关联数据表；

(6)检测是否完成逻辑关联，如果未完成则继续进行逻辑关系；如果完成则将逻辑关联后的物理节点的配置关系与参数下发到对应的各物理节点中，同时组态软件将系统配置文件保存在本地计算机中。

在系统的初始状态，组态软件向系统中的每一个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块等物理节点发布命令，得到每一个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块等的MAC地址，并识别每一个的产品型号。

对每一个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块等设置IP地址、缺省的配置参数；全部设置完成后，确定每一个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块等之间的逻辑关联关系。

根据逻辑关联关系、控制功能要求、逻辑关联准则，把配置完成后的每一个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块加入到创建的虚拟控制单元中，每一个虚拟控制单元具有一种单一的控制功能，每一个虚拟控制单元在智能家居系统中具有唯一的ID号，而每一个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块在虚拟控制单元中具有唯一ID号。

如图5、6、7所示，在每一个虚拟控制单元中，控制器模块与综合控制器模块、执行器模块；综合控制器模块与执行器模块；执行器模块与控制器模块、综合控制器模块之间的对应关系，可以是一对一、一对多、多对一，这样整个系统形成分布式控制，即使某个物理节点损坏，不会影响整个系统。

每一个虚拟控制单元支持31个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块，每一控制器模块、综合控制器模块、执行器模块可以包含在32个虚拟控制单元中。

虚拟控制单元定义后，配置关系、工作参数等下发和保存到与之对应的每一个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块中。同时组态软件把系统配置文件保存在本地计算机中，便于今后的维护与修改。

对于已经完成系统组态的环境，组态软件可以通过命令，得到每一个控制器模块、综合控制器模块、执行器模块的系统属性、设备属性、IP地址、MAC地址、工作参数、逻辑关联关系等等；得到每一个虚拟控制单元的配置，并且可以重新配置和下发，完成对配置的修改。

完成组态或者组态修改后，可以撤离运行组态软件的计算机。这时智能家居系统没有运行组态软件的计算机，也可以独立工作了。

组态软件提供给用户，用户根据需要可以随时对系统配置进行修改与调整。

组态软件也可以通过MME修改本地的NEK码：用户在本地的计算机上使用DM客户软件去设置本地的NEK码。这个设置NEK码的MME信息不在电力线上传输。更改本地的NEK码，客户端软件发送两条连续的MME信息。第一条更改本地的NEK码，第二条确保以后电力线上的传输使用新的NEK码加密。同时，组态软件也支持更改远端的NEK码。

上述系统在实际控制过程中，在每一个虚拟控制单元中，为了保证在电力线上传输的数据能够被可靠地接收，采用TCP/IP通信协议。

每一个虚拟控制单元的控制器模块、综合控制器模块接收到一个外部输入或者来自内部的控制命令后，产生控制命令，把该控制命令通过电力线接口发送到电力线上，在电力线上的执行器模块通过电力线接口接收到该命令，根据虚拟控制单元的定义，执行这个命令，能够把用电器：A、电源打开/关闭；B、把用电器的电源值调整到命令规定的数值上；C、控制用电器完成规定的功能等等。实现对用电器的控制。

Claims (8)

1.一种利用电力线组网的智能家居系统，其特征在于：包括控制器模块、综合控制器模块、执行器模块、电力线通信接口、组态软件、虚拟控制单元，所述控制器模块或综合控制器模块接收输入的控制信息和产生控制命令，所述执行器模块完成控制命令所规定的执行动作，所述控制器模块、综合控制器模块、执行器模块均通过电力线通信接口连接于电力线，所述电力线通信接口通过电力线将控制器模块或综合控制模块产生的控制数据传输至执行器模块或综合控制器模块，并对输出设备进行控制，所述电力线通信接口采用Home Plug1.0-Turbo或Home Plug AV通信协议，所述控制器模块、综合控制器模块、执行器模块内的设备之间采用TCP/IP协议进行数据传输，所述虚拟控制单元由控制器模块或综合控制器模块、执行器模块组成，完成控制功能，所述组态软件是根据控制功能，将输入控制设备与输出执行设备之间建立逻辑关联关系及事件关系，以形成数个虚拟控制单元。

2.根据权利要求1所述的利用电力线组网的智能家居系统，其特征在于：所述每个虚拟控制单元内一个输入的控制器模块或综合控制模块对应于至少一个输出的执行器模块或综合控制模块。

3.根据权利要求1所述的利用电力线组网的智能家居系统，其特征在于：所述每个虚拟控制单元内至少一个输入的控制器模块或综合控制器模块对应于一个输出的执行器模块或综合控制模块。

4.根据权利要求1所述的利用电力线组网的智能家居系统，其特征在于：所述控制器模块包括输入设备，所述输入设备连接于单片机，所述单片机的网络接口连接于电力线接口芯片，所述电力线接口芯片连接于电力线接口，所述电力线接口连接电力线，所述电力线接口芯片包括Home Plug通信协议的电力线适配器。

5.根据权利要求1所述的利用电力线组网的智能家居系统，其特征在于：所述执行器通过电力线接口连接电力线，电力线接口连接于电力线接口芯片，电力线接口芯片连接于单片机的网络接口，单片机的I/O连接于控制逻辑，控制逻辑连接到用电器，所述电力线接口芯片包括Home Plug通信协议的电力线适配器。

6.根据权利要求1所述的利用电力线组网的智能家居系统，其特征在于：所述综合控制模块包括单片机，单片机上设置数个输入/输出设备接口，所述单片机的网络接口连接于电力线接口芯片，所述电力线接口芯片连接于电力线接口，所述电力线接口连接电力线，所述电力线接口芯片包括Home Plug通信协议的电力线适配器。

7.一种如权利要求1所述智能家居系统的建立方法，其特征在于组态过程如下：

(1)收集各物理节点的MAC地址，并对节点识别，设置各物理节点的IP地址及缺省的配置参数；

(2)根据功能建立相应的虚拟控制单元，再根据虚拟控制单元的功能要求选取物理节点，并建立物理节点之间的逻辑关联关系及事件关系；

(3)将建立逻辑关联关系及事件关系后的物理节点参数下发到对应的物理节点中，并保存系统配置文件到本地。

8.根据权利要求7所述的建立方法，其特征在于：还包括一个网络加密步骤，将用户设置的网络密码用MD5加密算法生成网络加密值，采用该网络加密值对逻辑网络进行加密。

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