CN103078406B - 基于电力网的插排控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电力网的插排控制系统及方法，该系统包括移动终端、GSM无线通信模块、主控单元、从控单元和插排状态检测控制电路；移动终端用于以短信形式下发操作指令给主控单元；GSM无线通信模块用于接收移动终端以短信形式下发的操作指令并传输至主控单元；主控单元用于根据短信形式的操作指令确定该指令要控制的从控单元，并经电力线传输至该从控单元；从控单元用于接收经电力线传输的指令并驱动插排状态检测控制电路控制插排开关导通或断开；插排状态检测控制电路用于检测和控制插排开关导通或断开状态。采用电力载波通信模块作为主控单元和从控单元，并通过电力线进行通信，组建局域网，实现对家庭空间内部的各个电器所使用的插排智能控制。

Description

基于电力网的插排控制系统及方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种基于电力网的插排控制系统及方法。

背景技术

随着信息技术的发展，智能家居进入人们生活，智能插排也进入了人们的生活，拥有电话远程控制智能插排，就能放心享受惬意生活！外出时，您不用为忘记关闭电器电源而烦恼，不用担心家里的鱼缸是否断电，自动浇水机供电是否正常，全家外出旅行时，您不用担心家中长时间未亮灯而被小偷光顾，在回家前打开电热毯------现在市面上的智能插排有：智能定时安全插排，无线遥控开关插排，电话远程控制智能型插排等等，但是他们多个插排之间没有通信，每个都要有单独的电话线，成本高，而采用电力载波通信利用电力线组建局域网，不用重新架线，也没有无线通信的电磁辐射，组建网络实现家庭内部每个角落的远程控制实现了低成本，无辐射的远程多个智能插排控制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于电力网的插排控制系统及方法。

本发明的技术方案是：

一种基于电力网的插排控制系统，包括移动终端、GSM无线通信模块、主控单元、从控单元和插排状态检测控制电路；

所述移动终端用于以短信形式下发操作指令给主控单元；

所述GSM无线通信模块用于接收移动终端以短信形式下发的操作指令并传输至主控单元；GSM为Global System for Mobile Communications的缩写，意为全球移动通信系统；

所述主控单元用于根据短信形式的操作指令确定该指令要控制的从控单元，并经电力线传输至该从控单元；

所述从控单元用于接收经电力线传输的指令并驱动插排状态检测控制电路控制插排开关导通或断开；

所述插排状态检测控制电路用于检测和控制插排开关导通或断开状态。

所述移动终端和GSM无线通信模块分别装有SIM卡。

所述主控单元安装在家庭空间内，从控单元安装在各家用电器所在位置。

所述GSM无线通信模块与主控单元相连，主控单元和从控单元分别连接到电力线上，插排状态检测控制电路输入端与主控单元相连，插排状态检测控制电路输出端与插排开关相连。

所述主控单元和从控单元均为电力载波通信模块，电力载波通信模块包括控制芯片和电力通信模块；

控制芯片连接电力通信模块，电力通信模块连接到电力线上；

GSM无线通信模块连接到主控单元的控制芯片，插排状态检测控制电路的输入端连接到从控单元的控制芯片，插排状态检测控制电路输出端连接到插排的开关电线上。

所述电力通信模块包括第一电力猫芯片、第二电力猫芯片、第一电力载波前置电路、第二电力载波前置电路和信号耦合器；控制芯片连接第一电力猫芯片，第一电力猫芯片连接第二电力猫芯片，第二电力猫芯片分别连接第一电力载波前置电路和第二电力载波前置电路，第一电力载波前置电路和第二电力载波前置电路分别连接到信号耦合器，信号耦合器连接到电力线上。

所述第一电力载波前置电路用于对第二电力猫芯片的输出信号进行低通滤波。

所述第二电力载波前置电路用于对信号耦合器的反馈信号进行带通滤波。

采用所述的基于电力网的插排控制系统进行插排控制的方法，包括以下步骤：

步骤1：在移动终端和GSM无线通信模块分别安装SIM卡；

步骤2、在家庭空间内安装一个主控单元，并在家庭空间内的各家用电器位置安装从控单元；

步骤3：通过移动终端设置GSM无线通信模块的SIM卡电话号码并设置密码；

步骤4：使用者根据要控制的从控单元和定时时间，通过移动终端编辑短信并发送；

步骤5：GSM无线通信模块接收移动终端发送的短信，并将该短信转换为电信号传输至主控单元；

步骤6：主控单元根据接收到的信号形成控制指令，并与要控制的从控单元通过电力线建立通信，从控单元接收控制指令并定时；

步骤7：从控单元根据控制指令驱动插排状态检测控制电路控制插排开关导通或断开，在定时时间内保持该导通或断开状态；

步骤8：通过各从控单元将其连接的插排的状态经电力线传输至主控单元，该插排状态信息经GSM无线通信模块以短信形式发送至移动终端，并通过移动终端显示。

有益效果：

本发明采用电力载波通信模块作为系统主控单元和从控单元，并通过电力线进行通信，组建局域网，避免了重新架线，节约了成本，且没有无线通信的电磁辐射，通过局域网实现对家庭空间内部的各个电器所使用的插排智能控制，采用电力线进行通信也提高了传输质量和传输速度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的基于电力网的插排控制系统结构框图；

图2是本发明具体实施方式的GSM无线通信模块结构框图；

图3是本发明具体实施方式的GSM无线通信模块电路原理图；

图4是本发明具体实施方式的主控单元和从控单元结构及连接示意图；

图5是本发明具体实施方式的电力通信模块结构框图；

图6是本发明具体实施方式的第一电力载波前置电路原理图；

图7是本发明具体实施方式的第二电力载波前置电路原理图；

图8是本发明具体实施方式的第一电力猫芯片和第二电力猫芯片外围电路原理图；

图9是本发明具体实施方式的电源电路；

图10是本发明具体实施方式的插排状态检测控制电路原理图；

图11是本发明具体实施方式的控制芯片电路图；

图12是本发明具体实施方式的控制芯片接口电路图；

图13是本发明的具体实施方式的INT5500芯片的电路图；

图14是本发明的具体实施方式的INT1200芯片的接口电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，本实施方式中，基于电力网的插排控制系统，包括移动终端、GSM无线通信模块、主控单元、从控单元和插排状态检测控制电路；

本实施方式中，采用安卓手机作为移动终端，手机中安装SIM卡，该手机通过GSM无线通信模块与主控单元以短信形式进行通信；

GSM无线通信模块用于实现安卓手机与主控单元之间的通信；

该GSM无线通信模块选用西门子公司的TC35I模块，西门子工业GSM模块TC35I是一个支持中文信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.3-4.8V，电流消耗—休眠状态为3.5mA，发射状态为300mA（平均），2.5A峰值；可以传送语音和数字信号，功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2W和1W ,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s～115kb/s , 自动波特率为1.2kb/s～115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS（Short Message Service短消息），可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。

TC35I模块的结构如图2所示，该模块包括天线、天线插座、GSM射频部分、电源ASIC、FLASH、GSM基带处理器和ZIF连接器，其中，电源ASIC分别为GSM射频部分、GSM基带处理器和ZIF连接器供电，GSM基带处理器外接有FLASH，GSM射频部分设有天线插座，天线安装在天线插座上。

TC35I模块的电路原理如图3所示，其中SIM_CARD为SIM卡槽所在位置。TC35I模块通过串口与主控单元进行通信，当JFT为低电平时，TC35I模块开始启动，此时LED6_1开始快速闪烁，当该显示灯闪烁速度变慢，而且闪烁比较有规律的时候，TC35I模块启动完毕，可以正常工作。

主控单元和从控单元结构及连接如图4所示，主控单元和从控单元均为电力载波通信模块，电力载波通信模块包括控制芯片和电力通信模块。

GSM无线通信模块连接控制芯片，控制芯片连接电力通信模块；主控单元和各从控单元分别连接到电力线上，控制芯片选用STM32F107VC型号的控制芯片。控制芯片电路如图11所示，主要包括时钟电路、STM32与INT5500、INT1200、 GSM模块、JTAG的引脚连接。控制芯片接口电路如图12所示。

电力通信模块结构如图5所示，电力通信模块包括第一电力猫芯片、第二电力猫芯片、第一电力载波前置电路、第二电力载波前置电路和信号耦合器；电力通信模块中，第一电力猫芯片型号为INT5500，第二电力猫芯片型号为INT1200，信号耦合器采用型号为PS2561-1-V-A的光电耦合器。电力载波通信模块主要使用了INT5500和INT1200来组合实现将数据无缝的从以太网到电力网中。INT5500电路如图13所示，INT1200接口电路如图14所示。

每一个INT5500芯片启动都需要配置一块flash，系统使用的是M25P10。由于实现TCP/IP协议，每一个设备的物理地址都不能相同，必须在flash数据中更改器物理地址，烧写flash通过SPI总线实现，系统中采用stm32f107作为控制芯片对flash进行烧写。M25P10的存储命令如表1所示，

表1  M25P10的存储命令

命令	命令描述	命令字	地址字节数
				WREN	写允许	0x06	0
WRDI	复位写允许	0x04	0
				RDSR	读状态寄存器	0x05	0
WRSR	写状态寄存器	0x01	0
				READ	读数据	0x03	3
PP	些数据	0x02	3
				SE	扇区擦出	0xc8	3
BE	整体擦出	0xc7	0
				DP	进入掉电模式	0xb9	0
RES	掉电模式唤醒	0xab	3

在向M25P10写入数据之前要对其进行擦出，以免有部分数据不可写入，出现不可预测的错误。将设置好的数据通过串口调试助手发送给stm32，stm32接收到数据之后，依次对数据进行写入。

STM32F107VC通过MII接口对INT5500进行控制和通信。MII是符合业界标准的MAC和PHY子层之间的互操作接口。它提供了IEEE 802.3u以太网MAC控制器和INT5500之间的互联接口。MII接口由4位数据路径发送和接收数据实现载波的感知和碰撞的检测。MII接口提供了一个双线双向串行管理数据接口，此接口提供了访问INT500内部状态和控制寄存器的功能。

如图4所示，控制芯片STM32F107VC连接第一电力猫芯片INT5500，第一电力猫芯片INT5500连接第二电力猫芯片INT1200，第二电力猫芯片INT1200分别连接第一电力载波前置电路和第二电力载波前置电路，第一电力载波前置电路和第二电力载波前置电路分别连接到信号耦合器，信号耦合器连接到电力线上。由图5可知，控制芯片STC32F107VC通过MII接口与第一电力猫芯片INT5500进行通信，数据通过INT1200实现数字信号和模拟信号的互相转化，再通过模拟前端电路进行滤波处理，与信号耦合器相连接，从而实现了电力载波通信。第一电力载波前置电路对第二电力猫芯片INT1200的输出信号进行低通滤波，第二电力载波前置电路对第二电力猫芯片INT1200的输入信号进行带通滤波。

第一电力载波前置电路如图6所示，第二电力载波前置电路如图7所示，第一电力载波前置电路对第二电力猫芯片的输出信号进行低通滤波与平滑，并把信号频率平滑到低于22MHz的频率以下，再通过高速驱动放大芯片OPA2674实现11倍信号幅度的放大，同时增加驱动能力，然后经过限幅电路及二阶带通滤波器，将信号传送到信号耦合器的发送端。第二电力载波前置电路对电网中信号经过信号耦合器后的接收端的信号进行带通滤波，其带通滤波范围为4MHz~22MHz，经限幅操作送到第二电力猫芯片INT1200，然后送到第一电力猫芯片INT5500。

第一电力猫芯片INT5500、第二电力猫芯片INT1200的外围电路如图8所示，电力猫芯片外围包括启动配置电路和芯片工作状态指示灯电路。

由于通信时，需要把信号加载到电力网中，且要提高通讯速度，信号的载波频率就需要提高。本实施方式中采用INT5500和INT1200，把信号调制到高频上，且需要一个高频信号耦合器，把信号加载到电力网中，以实现通信，高频信号耦合器所需要的工作频率得达到80MHz以上，为了产生50Hz的同步信号，选择PS2561-1-V-A光电耦合器，为了以防过大的电流导致信号耦合器过热而损坏，在信号耦合器并到电力网中需要串接滤波电路，即第一电力载波前置电路和第二电力载波前置电路，通过两个滤波电路把低频信号大部分衰减掉，只留下高频通信信号。

本实施方式中，采用能够对电力线信号耦合并产生50Hz同步信号的电源电路，该电源电路如图9所示，电源电路具体包括直流整流电路、高频变压器、LNK626DG单芯片开关芯片及相应电感电容，具有两路输出电压，分别为12V和5V，两路输出电流分别为0.3A和2A，其中5V输出电压通过两个线性稳压芯片AMS1117分别转换到3.3V和1.8V，对主控单元及从控单元进行供电。50Hz同步信号是由电网中电力信号直接经过一定的衰减，通过二极管半波整流接入到PS2561-1-V-A光电耦合器，转换成TTL电平的50Hz的同步信号，传送到INT5500芯片进行信号的同步。

插排状态检测控制电路如图10所示，该电路包括开关控制部分和开关状态检测部分。

开关状态检测部分：输入信号是50Hz交流电，当电路中有信号存在时，利用开关状态检测电路将得到一个几百毫伏的低电压信号，对于控制芯片STM32F107VC来说可认为是低电平；当无信号时，Detect输出端输出一个3.3V的信号供控制芯片STM32F107VC检测。

插排状态检测控制电路中各个器件的作用是：120K/2W的电阻能为高功率电阻，能承受大电流以及起到分压的作用，整流二极管IN4007则起到整流的作用，将输入电压限制为正。NEC的型号为PS2561的光电耦合器则将经过限幅整流后的市电信号转化为50HZ的信号，当然包含很多高频噪声，输出端有一个25Hz的低通滤波器，滤去高频噪声。通过上拉120K的大电阻，大幅度限制输出端电压至百毫伏级，便于STM32判别为低电平。

利用控制芯片STM32F107VC输出的信号（高低电平）控制继电器的开关，光耦实现信号的隔离达到对单片机的保护作用，减小对单片机输出信号的干扰，单片机输出信号经过光耦后经过NPN三极管的放大驱动继电器工作。

采用所述的基于电力网的插排控制系统进行插排控制的方法，包括以下步骤：

步骤1：在移动终端和GSM无线通信模块分别安装SIM卡；

步骤2：在家庭空间内安装一个主控单元，并在家庭空间内的各家用电器位置安装从控单元；

本实施方式中，在某家庭空间内部的6个房间分别安置一个从控单元，并分别标记为从控单元1、从控单元2、从控单元3、从控单元4、从控单元5、从控单元6。

步骤3：通过移动终端设置GSM无线通信模块的SIM卡电话号码并设置密码；

本实施方式中，在安卓手机中设置主控单元的SIM卡的电话号码，输入系统初始密码，设置新的密码，确认安卓手机发送短信与主控单元同步，如果系统初始密码正确，则同步成功并修改系统主控单元的密码；

步骤4：使用者根据要控制的从控单元和定时时间，通过移动终端编辑短信并发送；

本实施方式中，通信协议中定义的短信形式的消息格式如下：

[用户标识][命令][从节点ID]

用户标识：即为了保证系统的安全性所设置的用户独有的标识，设备端通过识别用户标识来确定是否执行操作。用户标识由8个字节（16个字符）组成，用户名与密码是经过哈希编码得到的值进行发送。

命令：主要指示操作的类型，由1个字节（2个字符）组成。包含有：开，关，定时开，定时关，查询等命令。

节点ID：由于设计的一个家庭内部存在着多个从节点，所以对设备从节点进行标号使不同的从节点加以区别，从节点ID由一个字节（2个字符）组成。

步骤5：GSM无线通信模块接收移动终端发送的短信，并将该短信转换为电信号传输至主控单元；

系统中的GSM模块主要由stm32通过串口发送AT指令进行控制。首先对GSM模块进行测试，发送AT返回值是OK即代表GSM正常工作，其次对GSM进行初始化，主要设置短信格式为文本格式。

AT+CMGF=1    设置短信为txt格式。

将GSM设置成文本格式，读取到的短息内容如下：

+CMGL:3,"REC UNREAD","+8615850726105","11/03/14,11:47:43+32"5403996D

其中：“REC UNREAD”表示GSM设置为短信服务中心地址不读取；“+8615850726105”为发送方电话号码；“11/03/14,11:47:43+32”为接受到短信的时间；“5403996D”为接收到短信的内容。

发送短信，主要是主控芯片通过串口发送AT命令，实现与GSM的信息交互。发送短信的主要流程为：

主控芯片通过串口发送“AT+CMGS=“电话号码”+回车”，等待系统返回：“>”。然后，主控芯片发送“短信内容+回车”，等待系统回复。如果系统返回：“+CMGS ：95   OK”字样，说明短信发送成功。

步骤6：主控单元根据接收到的信号形成控制指令，并与要控制的从控单元通过电力线建立通信，从控单元接收控制指令并定时；

当主控芯片接受到短信会进入串口中断模式，主控芯片接收短信的主要流程为：在接收短信之前必须对GSM模块进行初始化操作，即主控芯片通过串口发送“AT+CNMI=2,1,0,0,1回车”，等待返回值；当系统返回：“OK”，表示设置成功，继续发送“AT+CMEE=1回车”，等待；当系统返回：“OK”；继续发送“AT+CSMS=1回车”，等待系统返回：“+CSMS: 1,1,1       OK”表示系统初始化成功。

当接受到短信的时，系统返回“+CMTI: "ME",10（短信号）”，输入“AT+CMGR=10回车”主控芯片从串口接受到的内容即将是短信息的主要内容。

步骤7：从控单元根据控制指令驱动插排状态检测控制电路控制插排开关导通或断开，在定时时间内保持该导通或断开状态；

步骤8：通过各从控单元将其连接的插排的状态经电力线传输至主控单元，该插排状态信息经GSM无线通信模块以短信形式发送至移动终端，并通过移动终端显示。

Claims (1)

1.一种基于电力网的插排控制方法，所采用的基于电力网的插排控制系统，包括移动终端、GSM无线通信模块、主控单元、从控单元和插排状态检测控制电路；

所述移动终端用于以短信形式下发操作指令给主控单元；

所述GSM无线通信模块用于接收移动终端以短信形式下发的操作指令并传输至主控单元；

所述主控单元用于根据短信形式的操作指令确定该指令要控制的从控单元，并经电力线传输至该从控单元；

所述从控单元用于接收经电力线传输的指令并驱动插排状态检测控制电路控制插排开关导通或断开；

所述插排状态检测控制电路用于检测和控制插排上的多路开关的导通或断开状态；

该系统还包括用于对电力线信号耦合并产生50Hz同步信号的电源电路，该电源电路分别分主控单元及从控单元供电；

所述主控单元安装在家庭空间内，从控单元安装在各家用电器所在位置；

所述GSM无线通信模块与主控单元相连，主控单元和从控单元分别连接到电力线上，插排状态检测控制电路输入端与主控单元相连，插排状态检测控制电路输出端与插排开关相连；

所述主控单元和从控单元均为电力载波通信模块，电力载波通信模块包括控制芯片和电力通信模块；

控制芯片连接电力通信模块，电力通信模块连接到电力线上；

GSM无线通信模块连接到主控单元的控制芯片，插排状态检测控制电路的输入端连接到从控单元的控制芯片，插排状态检测控制电路输出端连接到插排的开关电线上；

所述电力通信模块包括第一电力猫芯片、第二电力猫芯片、第一电力载波前置电路、第二电力载波前置电路和信号耦合器；控制芯片连接第一电力猫芯片，第一电力猫芯片连接第二电力猫芯片，第二电力猫芯片分别连接第一电力载波前置电路和第二电力载波前置电路，第一电力载波前置电路和第二电力载波前置电路分别连接到信号耦合器，信号耦合器连接到电力线上；

其特征在于：

该方法包括以下步骤：

步骤1：在移动终端和GSM无线通信模块分别安装SIM卡；

步骤2、在家庭空间内安装一个主控单元，并在家庭空间内的各家用电器位置安装从控单元，每个从控单元连接多个家用电器；

步骤3：通过移动终端设置GSM无线通信模块的SIM卡电话号码并设置密码；

设置主控单元的SIM卡的电话号码，输入初始密码，设置新的密码，确认移动终端发送短信与主控单元同步，如果初始密码正确，则同步成功并修改主控单元的密码；

步骤4：使用者根据要控制的从控单元和定时时间，通过移动终端编辑短信并发送；

通信协议中定义的短信形式的消息格式如下：

[用户标识][命令][从节点ID]

用户标识：即为了保证系统的安全性所设置的用户独有的标识，设备端通过识别用户标识来确定是否执行操作；用户标识由8个字节即16个字符组成，用户名与密码是经过哈希编码得到的值进行发送；

命令：主要指示操作的类型，由1个字节即2个字符组成，包含有：开，关，定时开，定时关，查询等命令；

节点ID：由于设计的一个家庭内部存在着多个从节点，所以对设备从节点进行标号使不同的从节点加以区别，从节点ID由一个字节即2个字符组成；

步骤5：GSM无线通信模块接收移动终端发送的短信，并将该短信转换为电信号传输至主控单元；

步骤6：主控单元根据接收到的信号形成控制指令，并与要控制的从控单元通过电力线建立通信，从控单元接收控制指令并定时；

步骤7：从控单元根据控制指令驱动插排状态检测控制电路控制插排上的多路开关导通或断开，在定时时间内保持该导通或断开状态；

插排状态检测控制电路包括开关控制部分和开关状态检测部分，其中的开关状态检测部分的输入信号是50HZ交流电，当有信号存在时，利用开关状态检测电路得到一个几百毫伏的低电压信号，该信号对于开关控制部分是低电平；当无信号时，开关状态检测部分的输出端输出一个3.3V的信号供开关控制部分检测；利用开关控制部分输出的信号即高低电平控制继电器的开关；

步骤8：通过各从控单元将其连接的插排的状态经电力线传输至主控单元，该插排状态信息经GSM无线通信模块以短信形式发送至移动终端，并通过移动终端显示。