CN103607344B - 基于plc智能家居网关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PLC智能家居网关装置，包括作为中央控制的主控单元，用于与用户进行信息交互的交互单元；用于电量计量的计量单元；用于宽带接入、室内无线网络信号覆盖及与其它通讯终端通信的无线路由通信单元，所述交互单元、计量单元、无线路由通信单元分别与主控单元相连；用于室内电力线载波通信的PLC通信单元，所述PLC通信单元分别与主控单元、220V电力线相连；用于家庭用电负荷控制的限电执行单元，所述限电执行单元分别与主控单元、家庭电路输入电路相连；用于为各个单元供电的电源单元。本发明融合家庭智能电表、智能用电管理、智能家居、家庭网络接入等功能的高度集成的智能家居网关装置，打造舒适、智能、高效、绿色的家居生活环境。

Description

基于PLC智能家居网关装置

技术领域

本发明属于涉及智能家居领域，具体地说是一种基于PLC智能家居网关装置。

背景技术

家庭智能网关是实现家庭网络与外部公共网络互联的关键技术。它主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，同时该网关一般还负责家庭智能设备的管理和控制。通过家庭智能网关可以对家庭内部网络中的家用电器、智能设备等进行中央监控和远程监控，可以随时随地地监视家中的用电安全情况，可以自动报警等。人们还可以通过使用家庭智能网关对水、电、煤气表进行自动的采集和抄收、结算等。目前市场上的智能家庭门户网关设备普遍功能比较单一，侧重于家居智能化的某个方面，造成家里设备众多，纷杂无序，无法实现将家中所有的设备进行统一的管理与控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适合于各类家庭使用的智能家庭门户网关，融合家庭智能电表、智能用电管理、智能家居、家庭网络接入等功能的高度集成的智能家居网关装置，打造舒适、智能、高效、绿色的家居生活环境。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下。

一种基于PLC智能家居网关装置，包括作为中央控制的主控单元；用于与用户进行信息交互的交互单元，所述交互单元与主控单元相连；用于计量家庭用电量的计量单元，所述计量单元与主控单元、220V输入电路相连；用于宽带网络接入、室内无线网络信号覆盖及与其它通讯终端的通信的无线路由通信单元，所述无线路由通信单元与主控单元相连；用于室内电力线载波通信的PLC通信单元，所述PLC通信单元分别与主控单元、220V电力线相连；用于家庭用电负荷控制的限电执行单元，所述的限电执行单元分别与主控单元、家庭电路输入电路相连；用于为各个模块供电的电源单元，所述电源单元分别与主控单元、交互单元、计量单元、无线路由通信单元、PLC通信单元及限电执行单元相连。

作为本发明的限定：所述的主控单元包括嵌入式CPU、存储电路、外围电路组成，其中存储电路主要包括SDRAM、FLASH存储芯片。

作为本发明进一步限定：所述的交互单元包括用于显示和输入的触摸屏。

作为本发明的限定：所述的计量单元包括MCU芯片、电能计量芯片、存储芯片、电流/电压取样电路、串口通信电路，所述计量单元通过电流/电压取样电路采集家庭输入电信号，通过电能计量芯片和MCU芯片处理，并根据需要与主控单元通过串口进行通信，将相关的计量数据送到主控单元进行分析处理。

作为本发明更进一步限定：所述的无线路由通信单元包括网络通信芯片、WiFi射频芯片、一个WAN口、两个LAN口及外围电路；无线路由通信单元将家庭户外的宽带网络通过家庭网关与家庭局域网络进行交互；通过以太网协议、总线或USB与主控单元进行通信，将经过处理过的计量数据传送到互联网端服务器；通过WiFi信号覆盖整个家庭区域，实现智能手机、平板电脑等智能终端设备上传下载业务；通过WiFi与灯控装置、门控装置等智能控制设备进行数据通信，实现智能家居控制。

作为本发明的另外一种限定：所述的PLC通信单元含有电力线载波芯片和相应信号调制解调电路，电力线载波芯片通过串行接口、总线或TCP/IP方式与主控单元进行信号数据传输，将来自主控单元的数据耦合到电力线上或将来自电力线上的数据信号调制解调并传输到主控单元。

作为本发明的最后一种限定：所述的限电执行单元包括控制家庭整体电路通断的执行电路，限电执行单元根据网关上预设定的家庭总电量指标或远程的操控行为，用于对家庭整体电路进行通断控制地执行。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，本发明所取得的技术进步如下。

(1)将智能电表功能、智能家居及宽带接入、无线覆盖功能完全整合，数据信息资源充分利用，简化家居智能化设备，使得智能家居设备高度集成统一，节约资源；

(3)具有家庭限电功能，可以完全由远端控制家庭电路的通断，还可以在不切断总电路的情况下，根据城市对居民家庭用电负荷指标，并按照电器优先级别，关闭不必要的电器，减少家庭用电负荷。

(4)具有峰谷/阶梯电合理利用功能，可以直观的将峰\谷时段、不同用电阶梯段的用电量、电价、电费等用户需要的数据进行显示或传送到用户个人智能终端上，并给出合理的用电建议。

综上可见，本发明结构简单、将智能电网、物联网、互联网进行整合为一个整体，有利于标准的统一和规范，融合家庭智能电表、智能用电管理、智能家居、家庭网络接入等功能的高度集成的智能家居网关装置，打造舒适、智能、高效、绿色的家居生活环境。

本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例中的结构原理图；

图2是本发明实施例中的应用示意图。

具体实施方式

实施例一种基于PLC智能家居网关装置。其结构原理图如图1所示，包括作为中央控制的主控单元1；用于与用户进行信息交互的交互单元3，其中交互单元3与主控单元1相连；用于计量家庭用电量的计量单元5，其中计量单元5与主控单元1、220V输入电路相连；用于宽带网络接入、室内无线网络信号覆盖及与其它通讯终端的通信的无线路由通信单元6，其中无线路由通信单元6与主控单元1相连；用于室内电力线载波通信的PLC通信单元4，其中PLC通信单元4与主控单元1相连并通过耦合线圈与220V电力线相连；用于家庭用电负荷控制的限电执行单元7，其中限电执行单元7分别与主控单元1、家庭电路输入电路相连；用于为各个模块供电的电源单元2，其中电源单元2分别与主控单元1、交互单元5、计量单元3、无线路由通信单元4、PLC通信单元4及限电执行单元7相连。

本发明实施例中应用示意图如图2所示。

主控单元1包括嵌入式CPU、存储电路、外围电路组成，其中存储电路主要包括SDRAM、FLASH存储芯片，用于存放操作系统内核及业务数据。主控单元1负责整个系统的计算、分析、控制，系统内部安装有Linux嵌入式操作系统，配合SDRAM和Flash存储单元、电源模块等其他功能部件，实现对来自家庭外部的控制信号与来自家庭内部各种智能终端和传感器终端上传的信号和数据进行分析、计算、中继、存储等工作。

1)主控单元1通过RS485接口与计量单元5连接，每小时采集一次计量单元的家庭小时用电数据，对采集的家庭小时用电数据进行存储，分析，并将存储和分析结果通过TCP/IP协议发送到用户智能手机和交互单元。

2)主控单元1通过UART通用异步收发接口与PLC通讯单元4连接。主控单元1接收用户智能手机通过TCP/IP协议发出的对PLC通讯单元4的控制和采集指令，进一步，通过UART接口把用户指令发往PLC通讯单元4，并在UART接口等待PLC通讯单元4的反馈数据。

3)主控单元1通过以太网与无线路由通信单元6连接。主控单元1通过TCP/IP协议与无线路由通信单元6进行数据交互。

4)主控单元1通过I/O口与限电执行单元7相连。主控单元1接收云平台数据中心发出的限电指令，并通过I/O口对限电执行单元发出限电指令。

交互单元包括用于显示和输入的触摸屏，实现显示和指令输入的功能。

计量单元5包括MCU芯片、电能计量芯片、存储芯片、电流/电压取样电路、串口通信电路，其中计量单元通过电流/电压取样电路采集家庭输入电信号，通过电能计量芯片和MCU芯片处理，并根据需要与主控单元通过串口进行通信，将相关的计量数据送到主控单元进行分析处理，主控单元1每隔一小时通过RS485接口与计量单元5进行通讯，采集家庭小时用电数据。此外计量单元5可以计量家庭实时总用电量，峰电量，谷电量，并把数据存储到存储芯片中。

无线路由通信单元6包括网络通信芯片、WiFi射频芯片、一个WAN口、两个LAN口及外围电路；无线路由通信单元6将家庭户外的宽带网络通过家庭网关与家庭局域网络进行交互；通过以太网协议、总线或USB与主控单元进行通信，将经过处理过的计量数据传送到互联网端服务器；通过WiFi信号覆盖整个家庭区域，实现智能手机、平板电脑等智能终端设备上传下载业务；通过WiFi与灯控装置、门控装置等智能控制设备进行数据通信，实现智能家居控制。

1)无线路由通信单元6由一个WAN口、两个LAN口组成。

2)无线路由通讯单元6的WAN口通过以太网接口接入以太网线，能够提供上网通路。LAN口与主控单元1通过以太网线连接。数据的交互遵循TCP/IP协议。

3)无线路由通讯单元6通过无线(802.11协议)可以与用户智能手机和其他无线智能设备连接。

4)用户智能手机和主控单元1可以通过无线路由通信单元6接入INTERNET网。

5)无线路由通讯单元6通过TCP/IP协议接收数据中心从INTERNET网发来的各种控制采集指令，并进一步发往主控单元1。

6)无线路由通信单元6通过无线(802.11协议)接收用户智能手机或其他无线智能设备发来的各种控制采集指令，并进一步发往主控单元1。

PLC通信单元4包括电力线载波芯片和相应信号调制解调电路，将来自主控单元1的数据经过该单元通过耦合线圈，将信号耦合到电力线上或将来自电力线上的数据信号调制解调并传输到主控单元1，其核心电力线载波芯片通过UART通用异步收发接口与主控模块1进行信号数据传输。PLC模块通过其UART接口与主控单元1的ARM处理器进行信号数据传输，来自主控单元1的数据信号经过载波芯片和外围电路处理后，将其耦合到电力线上进行传输，在家庭内部电力线信道的另一端相对应有一个同样的PLC模块进行反方向的调制解调和处理，完成通信功能，并最终实现对作为家庭物联网节点的智能终端如智能插座或家用电器的通信控制功能。

限电执行单元7包括控制家庭整体电路通断的执行电路，限电执行单元7根据网关上预设定的家庭总电量指标或远程的操控行为，用于对家庭整体电路进行通断控制地执行。限电执行单元7位于家庭网关控制部分的下端，与供电电路的火线相连，由主控单元1内部ARM主芯片I/O口提供驱动信号，经驱动电路驱动限电执行单元7的开/合。限电功能的实现过程如下：电力部门根据城市电力负荷情况，对区域范围的居民用户实行限电措施，将由远端管理服务器下发限电命令到家庭网关的主控单元1。主控单元1的AMR芯片的UART串口通讯将限电指令转换成电平信号，限电执行单元7接收到电平信号后，切断供电电路，实现限电目标。当限电任务完成，还可以恢复供电。

本发明还具有负荷控制功能，不同于限电执行单元对家庭电力完全切断的情况，负荷控制功能不完全切断整个电路，而是降低家庭负荷水平。将根据主控单元1设置功率限值、用户、电力部门等主动操控行为对家庭某些用电设备进行通断操控减少家庭用电总负荷。主程序的负荷控制单元对家庭用电设备的操控行为是通过与用电设备相连的智能插座等智能终端实现；负荷控制单元对家庭用电设备的操控行为按照预设的一定规律有序执行；负荷控制单元属于主控单元1的程序逻辑部分。其实现的具体过程如下：

负荷控制由数据中心发起，当家庭网关的通讯模块接收到数据中心的负荷控制的指令后，首先判断当前家庭总用电功率是否已经超过了给定功率阀值。

1)当家庭用电总功率大于/等于限电功率，判断所有“已经打开电器”的优先级别并按照优先级从高到低来计算总功率，将关闭优先级较小的电器，以保证家庭已使用家电总功率不大于限电功率，如出现判断有某几个同一优先级的已使用电器，会按照额定功率从高到低的顺序关闭。当程序中负荷控制单元得出需要关闭电器的名单后，会向驱动层下发关闭电器的指令，并通过UART串口通讯将关闭电器的指令下达PLC通信单元4，由PLC主控单元4向各PLC设备节点(即智能插座)下发关闭指令，完成智能插座上的用电器关闭操作。

2)当家庭用电总功率小于限电功率，打开相应电器，额定功率逐个累加，总功率不大于限电功率则操作电器可以正常打开。当出现增加某个电器后总功率大于限电功率，则提示此电器暂时禁止操作。

3)限电情况下，将禁止网关、服务器、手机终端等对预设的用电模式进行修改，并删除当前模式下的链表中的模式预约命令。

4)解除限电之后，将恢复正常，执行所有根据用户要求对某个插座或单个电器进行相应操作。

Claims (6)

1.一种基于PLC智能家居网关装置，其特征在于：包括作为中央控制的主控单元；

主控单元包括负荷控制单元，负荷控制单元对家庭用电设备的操控行为按照预设的规律有序执行；所述规律如下：负荷控制由数据中心发起，当家庭网关的通讯模块接收到数据中心的负荷控制的

指令后，首先判断当前家庭总用电功率是否已经超过了给定功率阀值：

1) 当家庭用电总功率大于/ 等于限电功率，判断所有“已经打开电器”的优先级别并按照优先级从高到低来计算总功率，将关闭优先级较小的电器，以保证家庭已使用家电总功率不大于限电功率，如出现判断有某几个同一优先级的已使用电器，会按照额定功率从高到低的顺序关闭；当程序中负荷控制单元得出需要关闭电器的名单后，会向驱动层下发关闭电器的指令，并通过UART 串口通讯将关闭电器的指令下达PLC 通信单元，由PLC 主控单元向各PLC 设备节点下发关闭指令，完成智能插座上的用电器关闭操作；

2) 当家庭用电总功率小于限电功率，打开相应电器，额定功率逐个累加，总功率不大于限电功率则操作电器可以正常打开；当出现增加某个电器后总功率大于限电功率，则

提示此电器暂时禁止操作；

3) 限电情况下，禁止网关、服务器、手机终端等对预设的用电模式进行修改，并删除当前模式下的链表中的模式预约命令；

4) 解除限电之后，将恢复正常，执行所有根据用户要求对某个插座或单个电器进行相应操作；

用于与用户进行信息交互的交互单元，所述交互单元与主控单元相连；

用于计量家庭用电量的计量单元，所述计量单元与主控单元、220V输入电路相连；

用于宽带网络接入、室内无线网络信号覆盖及与其它通讯终端的通信的无线路由通信单元，所述无线路由通信单元与主控单元相连；

用于室内电力线载波通信的PLC通信单元，所述PLC通信单元分别与主控单元、220V电力线相连；

用于家庭用电负荷控制的限电执行单元，所述的限电执行单元分别与主控单元、家庭电路输入电路相连，；

用于为各个模块供电的电源单元，所述电源单元分别与主控单元、交互单元、计量单元、无线路由通信单元、PLC通信单元及限电执行单元相连；

所述的计量单元包括MCU芯片、电能计量芯片、存储芯片、电流/电压取样电路、串口通信电路，所述计量单元通过电流/电压取样电路采集家庭输入电信号，通过电能计量芯片和MCU芯片处理，并根据需要与主控单元通过串口进行通信，将相关的计量数据送到主控单元进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的基于PLC智能家居网关装置，其特征在于：所述的主控单元包括嵌入式CPU、存储电路、外围电路组成，其中存储电路主要包括SDRAM、FLASH存储芯片。

3.根据权利要求1所述的基于PLC智能家居网关装置，其特征在于：所述的交互单元包括用于显示和输入的触摸屏。

4.根据权利要求1所述的基于PLC智能家居网关装置，其特征在于：所述的无线路由通信单元包括网络通信芯片、WiFi射频芯片、一个WAN口、两个LAN口及外围电路；无线路由通信单元将家庭户外的宽带网络通过家庭网关与家庭局域网络进行交互；通过以太网协议、总线或USB与主控单元进行通信，将经过处理过的计量数据传送到互联网端服务器；通过WiFi信号覆盖整个家庭区域，实现智能手机、平板电脑等智能终端设备上传下载业务；通过WiFi与灯控装置、门控装置等智能控制设备进行数据通信，实现智能家居控制。

5.根据权利要求1所述的基于PLC智能家居网关装置，其特征在于：所述的PLC通信单元含有电力线载波芯片和相应信号调制解调电路，电力线载波芯片通过串行接口、总线或TCP/IP方式与主控单元进行信号数据传输，将来自主控单元的数据耦合到电力线上或将来自电力线上的数据信号调制解调并传输到主控单元。

6.根据权利要求1所述的基于PLC智能家居网关装置，其特征在于：所述的限电执行单元包括控制家庭整体电路通断的执行电路，限电执行单元根据网关上预设定的家庭总电量指标或远程的操控行为，用于对家庭整体电路进行通断控制地执行。