CN104270293A - 基于电力载波的智能家居系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电力载波的智能家居系统，其包括控制器模块，多个电力线耦合滤波装置、多个电力线信号调制解调器，多个电源开关、多个能够红外遥控的家用电器、多个智能终端、多个传感器、红外遥控模块、WIFI模块；电力线耦合滤波装置用于阻止电力线上的工频电力，通过高频载波信号；电力线信号调制解调器，用于接收电力线耦合滤波装置发送的高频载波信号；WIFI模块用于将电力载波转为无线局域网数据；传感器通过电力线信号调制解调器、电力线耦合滤波装置，接入电力线。该系统利用电力载波实现智能家居控制，省去了WIFI网络的建设麻烦，具有良好的市场前景。

Description

基于电力载波的智能家居系统

技术领域

本发明涉及家居领域，特别涉及一种基于电力载波的智能家居系统。

背景技术

众所周知，住户在搬入住宅后首先铺设的就是电力线路。现有智能家居系统为完成对电器设备的控制和监测功能还必需铺设专门的通信线路，浪费资源。

电力线通信全称是电力线载波(Power Line Carrier–PLC)通信，是指利用高压电力线(在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级)、中压电力线(指10kV电压等级)或低压配电线(380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。电力线通信(Power Line Communication，英文简称PLC)技术是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频加载于电流然后用电线传输接受信息的适配器再把高频从电流中分离出来并传送到计算机或电话以实现信息传递。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用电力线进行智能家居控制的系统。直接采用通信线路和动力线路并线的方式则节省了通信线路的铺设费用，因此采用住宅中的民用电力线作为现场总线通信的物理传输介质可大大降低智能家居系统的安装成本,采用民用电力线为通信传输介质的现场总线结构使得该智能家居系统具有很强的通用性和兼容性。

采用了以下的技术方案，基于电力载波的智能家居系统，其包括控制器模块，多个电力线耦合滤波装置、多个电力线信号调制解调器，多个电源开关、多个能够红外遥控的家用电器、多个智能终端、多个传感器、红外遥控模块、WIFI模块；其中

电力线耦合滤波装置用于阻止电力线上的工频电力，通过高频载波信号；

电力线信号调制解调器，用于接收电力线耦合滤波装置发送的高频载波信号，并提供数据链路层和物理层的协议服务，将数字信号调制成扩频载波信号或将扩频载信号解调为数字信号，并通过异步串行通讯的方式与控制器进行数据交换；

红外遥控模块，用于对各类红外遥控器的编码信号进行学习和分析识别，将学习结果自存贮在相应的存储器中；

WIFI模块用于将电力载波转为无线局域网数据；

自适应控制模块，

传感器通过电力线信号调制解调器、电力线耦合滤波装置，接入电力线；

电力线通过电力线耦合滤波装置、电力线信号调制解调器，载波信号分别发送至控制器模块、红外遥控模块、WIFI模块；

智能终端与WIFI模块无线连接；

电源开关采用双联双控开关，由手动开关和控制器模块分别进行控制。

控制器主控芯片选用了STC89C52芯片为控制核心。

红外遥控模块具有WIFI功能，通过WIFI模块接收智能终端发送的指令。

控制器模块具有WIFI功能，通过WIFI模块与智能终端进行指令交换。

还具有电源模块，用于供电；控制器还具有触摸屏，用于显示传感信息、提示信息、输入用户指令。

控制器模块还具有串口，串口采用MAX3232芯片。

传感器包括温度传感器、和/或湿度传感器、和/或烟雾传感器。

温度采集选用了DS18B20温度传感器。

电力线信号调制解调器采用OFDM调制技术。

本发明的有益效果是：通过直接采用通信线路和动力线路并线的方式节省了通信线路的铺设费用，采用住宅中的民用电力线作为现场总线通信的物理传输介质可大大降低智能家居系统的安装成本,采用民用电力线为通信传输介质的现场总线结构使得该智能家居系统具有很强的通用性和兼容性。

具体实施方式

以下，详细说明本发明的优选实施例。在此之前需要说明的是，本说明书及权利要求书中所使用的术语或词语不能限定解释为通常的含义或辞典中的含义，而应当立足于为了以最佳方式说明其发明发明人可以对术语的概念进行适当定义的原则解释为符合本发明技术思想的含义和概念。随之，本说明书所记载的实施例中表示的结构只是本发明最佳实施例之一，并不能完全代表本发明的技术思想，因此应该理解到对于本发明而言可能会存在能够进行替换的各种等同物和变形例。

例如，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的―包含‖为一开放式用语，故应解释成―包含但不限定于‖。―大致‖是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，―耦接‖一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性连接于所述第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电性连接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

电力线载波(PLC)是电力系统特有的、基本的通信方式，由于使用电力线作为载波信号的传输媒介，因此具有信息传输稳定可靠，路由合理、可同时复用信号等特点由于电力线和信号线合一，无须铺设信号线，人们原来使用和维护电器的习惯都不受影响，家电无须增加双绞线、红外线等接口，只要在内部配备电力线载波通信芯片、更新程序，便可实现对原有家电的改造。

智能家庭控制系统的主要功能包括家庭设备自动控制、家庭安全防范二个方面。其中家庭设备自动监控包括电器设备的集中、遥控、远距离异地(通过电话或Internet)的监视、控制及数据采集。

(1)家用电器的监视和控制，按照预先所设定程序的要求对热水器、微波炉、视像音响等家用电器进行监视和控制。

(2)热能表、燃气表、水表、电度表的数据采集、计量和传送根据小区物业管理的要求所设置数据采集程序，通过传感器对热能表、燃气表、水表、电度表的用量进行自动数据采集、计量，并将采集结果远程传送给小区物业管理系统。

(3)空调机的监视、调节和控制，按照预先所设定的程序，根据时间、温度、湿度等参数对空调机进行监视、调节和控制。

(4)照明设备的监视、调节和控制按照预先设定的时间程序，分别对各个房间照明设备的开、关进行控制，并可自动调节各个房间的照度。

(5)窗帘的控制，按照预先设定的时间程序，对窗帘的开启/关闭进行控制。

由于家电的信息量小，电力线载波速度慢的缺点不突出，因此电力线载波通讯技术在家居智能化应用方面有着广泛的前景，特别是在中速率传输应用方面，因其具有可靠性高、造价低廉等优点，使其占有明显优势。但电力线是给用电设备传送电能的，不是专用的数据通讯介质，所以用电力线来传送数据时会存在一些问题。脉冲噪音是电力线上最大的噪声源，它是产生干扰的主要原因。例如洗衣机、空调电机和日光灯启停瞬间等情况出现时，便会产生大量噪声。因为噪声具有突变、高能、覆盖频率范围广等特点，对载波信号影响很大，不仅会造成信号误码率升高，而且可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。虽然电力线的高削减、高噪声、高畸变等问题使电力线成为一个不理想的通讯媒介，但由于现代通讯技术的发展，使电力线载波通讯成为可能。2003年夏天，英国Norweb公为英格兰西北部的2000个居民和商业用户提供通过电力线的因特网服务，速率达到了1Mbps，比现行的ISDN高10倍。2004年8月，以色列和美国一家公司宣布他们联合开发出借助公共电力网传送因特网数据的新技术，2006年底前将使因特网传输速率由1Mbps提高到100Mbps，未来五年内将提高到1000Mbps。在我国―八五‖初期，全国110kV及以上电力线载波线路已达260000km，至今已达68000km，电力线载波成为电力系统应用最为广泛的通信手段。近几年，随着智能住宅小区的兴起，基于微机的电力载波数据通信技术在智能小区抄表系统中得到应用。电力线载波芯片选择通过对电力载波数据通讯在家居智能系统产生干扰的原因分析可知，数据信号的信噪比决定了传输距离的远近与数据通讯效果的好坏，而改善信噪比的关键是找到

适合智能家居使用的电力线载波专用芯片。目前，国外多家公司推出了自己的电力线载波芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。几种典型的芯片及特性描述如下：(1)ST7536芯片：ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的专用调制解调芯片。它不仅具有一般调制解调芯片的信号调制解调功能，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛。(2)SSCP300芯片：SSCP300是Intellon公司采用现代通讯技术设计的电力线载波调制解调芯片。它采用了扩频(chirp方式)调制解调技术、DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，一般称为智能调制解调芯片，体现了调制解调芯片的发展趋势。SSCP300是Intellon公司按北美地区频率标准和电网特性，针对一家一户式独立住宅的家庭自动化系统而设计的，在通讯方面采用限波器隔离，防止干扰邻近住宅。(3)PLT-22芯片：PLT-22是Echelon公司推出的电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计的，采用多种容错及纠错技术，目前在我国得较广泛的应用。但它是Lonworks网络专用，因而价格较高。由于现场条件下存在有断续的噪声干扰、阻抗变化和信号衰减，因此电力线的通信条件非常恶劣。而SSCP300芯片可利用双载波频率自动调整和数字信号处理技术解决恶劣电力线通信环境下的通信质量可靠性问题。应用双载波频率自动调整技术，SSCP300可以在主频被噪音堵塞的情况下，自动切换到副频继续保持通信。通过数字信号处理技术可使SSCP300在较差的信道环境下准确地进行信号的接收和处理。

各功能模块描述如下：

(1)控制器模块：控制器是智能家居控制系统的核心，承担信息采集、安防和状态监控等任务，可实现多种控制方式，从直接的键盘控制、红外遥控和语音控制，到通过管理和设置上位机，实现家用电器的定时、记忆及自适应等自动控制功能，甚至可以通过互联网在异地远程监控家电工作状态.所以控制器的主控芯片需要运行实时多任务操作系统(RTOS)以有效提高嵌入式平台的资源利用率，高效地驱动外围模块运行，因此控制器主控芯片选用了STC89C52芯片为控制核心，温度，湿度等传感器为环境信息采集源，以Web控制为辅助，来制作一个物联网空调监控系统。在原有的机械式按键开关的基础上，采用无线遥控器与Web网页远程控制，来控制空调机组(如风机，加湿器，风阀等)，实现了远距离，多角度对空调机组进行实时控制。此外在本次设计中，采用多种传感器想结合，智能根据各传感器采集的数值进行自动化控制，如自动开关风机，智能调节冷冻水量，自动调节风阀开度等。并能够实现故障诊断，提供报警。

(2)电力线信号调制解调器模块：在电力线信号调制解调电路中，采用Intellon公司的网络接口控制器SSCP300来实现电力线载波功能。它提供数据链路层和物理层的协议服务，负责将数字信号调制成扩频载波信号或将扩频载信号解调为数字信号，调制后的扩频载波信号在220V交流电力线上传输。在电路设计中，控制器提供片选、脉冲和SSCP300芯片的复位信号，SSCP300以异步串行通讯的方式与控制器进行数据交换，以保证数据交的实时性与准确性。

(3)红外遥控模块：红外遥控电路能对各类红外遥控器的编码信号进行学习和分析识别，将学习结果自存贮在相应的存储器中，同时接收上位机并行发送的控制信息，并分析和实现输出控制多路红外发射信号。

(4)系统综合布线模块：本系统的布线分为两部份，一部分是基于电力线的家庭局域网的布线，另一部份是家庭局域网与外部电网的连接布线。家庭局域网与外部电网的连接布线可用电力线连接方式，由于采用与电器供电线路一体化的信息传输模式，可避免重新布线，便于电器的任意移动，更适合网络接入部分的嵌入式设计。电力线耦合滤波装置由于电力线上的许多负载对信号衰落影响较大。尤其是那些用于调整电网功率因数的大电容，对数十万赫兹的载波通信信号来说，相当于短路。系统信号衰减主要由两部分组成，一是耦合衰减，二是线路衰减。理论上，可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定于线路的衰减。为保证电力安全、高速传输、可靠通信，解决信号衰减造成的干扰问题。载波信号耦合方式有电容耦合、电感(变压器)耦合。电容耦合是采用耦合电容器为主要元件的耦合方式,用一高频电容来连接高频载波信号的输入、输出端与电力线接入点(电源插座、配电开关母线等),电容性耦合装置(CU)属于一种直接耦合装置,将高频载波信号直接注入到电网,同时从电力线上接收高频载波信号。

高频电容一端连接电力线,另一端与耦合变压器相连。该电容为高压电容(耐压值≥275V),耦合高频载波信号,又起到高压工频隔离的作用,耦合电容C1选取0.01μF较为合适。耦合变器T1不仅具有隔离作用,同时也实现了信号线平衡—不平衡的变换及阻抗的变换作用。由耦合电容C1和耦合变压器T1的初级线圈组成高通滤波电路,阻止了50Hz工频电流,并尽可能的减少衰减低频噪声及干扰信号,而对高频载波信号,提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性。由于要实现1～38MHz范围内甚至更高频段宽带信号的耦合,耦合变压器T1的设计和制作十分关键。普通的电子变压器只能实现从几十Hz到105 Hz量级的信号耦合,限制变压器工作带宽的主要因素在于线圈绕组间的漏感和分布电容。

(5)系统电源电路模块：在低压电力线载波系统中，电源是连接系统和电力线的直接通道，是信号传输的信道，同时也是各种干扰进入系统的入口。因此，电源的安全可靠性对系统准确可靠地工作起着举足轻重的作用。在市电传输线上，存在各种随机干扰信号，比如雷电、大容量感性负载的起、停，都会造成电源瞬间欠压、过载、产生尖峰、浪涌干扰等问题。低压电力载波数据传输系统中采用的电源电路由于压敏电阻的I—V特性，在加于压敏电阻两端的电压超出压敏电压时，电流迅速增大，呈短路状态，非常适合吸收瞬间的尖峰、浪涌电压。因此在电源中加入压敏电阻后，电源干扰造成系统程序―飞跑‖的可能性减少。市电中含有许多高频干扰源，这些高频成分很容易经过电源进入单片机系统中。另外系统自身的发送频率也会经过电源感应反馈到单片机系统造成干扰。解决的办法可在电源电路中加入滤波电路以抑制各种高频信号。另外，在电源变压器的选择上，采用了具有双层屏蔽的电源变压器更利于抑制高频干扰。采用稳压块并联的方法则有利于保证电源的稳定性。

(6)自适应控制模：在控制过程中，采取了自适应的控制方式，自适应控制模块由AD转换器、DA转换器、多路开关、I/O端口、中央处理器构成。为防止在AD转换与DA转换过程中因电压过大导致器件损坏，系统设计中加入限压二极管，为保证AD转换与DA转换的转化精度与克服死区对数据采集的影响，加入高精度可调变阻器使转换器在转换电压范围工作，同时在其前端加入MAXIN的高精度差分放大器使信号在放大过程中减少误增益。系统工作前应进行初始化。使用内置定时器测量控制执行器从控制范围最大值到控制范围最小值的控制时间，通过电压放大器使其控制时间在20秒以内，当实际反馈值与目标值差的绝对值大于1％时，采用直通控制。当绝对值小于1％时，采用脉冲控制。每一小时调整一次脉冲时间段。每次控制执行器均记录控制次数与时间，根据工程经验，当控制次数大于五次或脉冲控制时间大于三秒时，应增大其脉冲时间的三分之一，如10秒内仍不能进入脉冲控制的控制时，应增大其进入脉冲控制的范围，如从1％自动增加至1.2％，经过反复多次的控制运行以获取能保证系统实时性和稳定性的控制数据。系统软件设计分为下位机(单片机)系统软件设计和上位机(PC服务器)系统软件设计。在单片机系统软件开发的过程中，采用RTOS，自适应控制模块硬件结下转85M430/OS嵌入式多任务实时操作系统。它由汇编语言依据实时多任务的原理来编写、占用系统资源少，运行稳定可靠，并可以进一步扩展系统功能。在下位机软件设计中，将系统的各种功能划分为对应某一具体任务的子程序(如数据采集子程序、电力线收发子程序、电话信息处理子程序、红外处理程序等)，并给每个任务定义任务优先级、执行频率和标识符。采用非抢占优先级方式来设计，用定时器溢出中断来调用任务。当单任务发生时，记录任务发生时间与类型，根据任务类型选择声光报警和与上位机进行通讯等处理方式。当多任务同时发生时，根据预先定义的业务优先级，由高到低依次处理。结合MSP430系列单片机的特点，在处理中断时，以各功能端口为处理源对任务进行实施，中心处理器只负责任务归类及选择相应的功能端口，从而保证程序的稳定及实时多任务系统的实现。在PC服务器程序设计过程中，服务器的操作系统采用Windows2000sever，使用VC高级编程语言开发IIS应用程序，建立驻留在Web服务器上的ASP应用程序。通过能够接收浏览器请求的ASP应用程序，实现家庭内部单片机设备的远程控制。结语基于电力载波技术的通讯控制系统，是智能家居数字化得以实现的一种新模式，是对传统通讯控制系统的拓展。在通讯控制系统的实施过程中，特别是存在较多干扰源的智能家居环境中，采用电力载波技术的系统在不需重新布线的情况下，不仅能够满足实时性，可靠性和兼容性要求，且具有良好的抗干扰作用。

通过温度传感器采集当前的温度信息，送到采集模块中进行转换，由MCGS组态软件进行分析，通过与预设值的对比，决定冷水机组的水阀开度，使室温保持在一个恒定的范围。同时为了方便控制，采集到的温度值发送到LCD1602液晶屏上显示出来。

通过温度传感器采集当前的温度信息，送到采集模块中进行转换，由MCGS组态软件进行分析，通过与预设值的对比，决定加湿器的水阀开度，使室内湿度保持在一个恒定的范围。同时为了方便控制，MCGS组态软件会将采集到的温度值发送到LCD1602液晶屏上显示出来。

串口采用MAX3232芯片，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。主要特点有：1、符合所有的RS-232C技术标准2、只需要单一+5V电源供电3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-4、功耗低，典型供电电流5mA 5、内部集成2个RS-232C驱动器6、内部集成两个RS-232C接收器湿度采集选用了th100hum湿度传感器，其特点如下：(1)在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与th100hum的双向通讯。(2)测湿范围0％～100％，固有测湿分辨率0.5％。(3)支持多点组网功能，多个th100hum可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。(4)工作电源:3～5V/DC。(5)在使用中不需要任何外围元件。(6)测量结果以9～12位数字量方式串行传送。

温度采集选用了DS18B20温度传感器，其特点如下：(1)在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。(2)测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。(3)支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。(4)工作电源:3～5V/DC。(5)在使用中不需要任何外围元件。(6)测量结果以9～12位数字量方式串行传送。

显示模块采用LCD1602，它能够同时显示16x02即32个字符。(16列2行)在本次设计中，第一行为提示信息，第二行为数据信息其引脚功能如下：第1脚：VSS为电源地。第2脚：VDD接5V电源正极。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生―鬼影‖，使用时通过一个10K的电位器调整对比度)。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

开关采用双联双控开关，由手动开关和控制器分别进行控制。

需要注意的是，尽管上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.基于电力载波的智能家居系统，其包括控制器模块，多个电力线耦合滤波装置、多个电力线信号调制解调器，多个电源开关、多个能够红外遥控的家用电器、多个智能终端、多个传感器、红外遥控模块、WIFI模块；其中

电力线耦合滤波装置用于阻止电力线上的工频电力，通过高频载波信号；

电力线信号调制解调器，用于接收电力线耦合滤波装置发送的高频载波信号，并提供数据链路层和物理层的协议服务，将数字信号调制成扩频载波信号或将扩频载信号解调为数字信号，并通过异步串行通讯的方式与控制器进行数据交换；

红外遥控模块，用于对各类红外遥控器的编码信号进行学习和分析识别，将学习结果自存贮在相应的存储器中；

WIFI模块用于将电力载波转为无线局域网数据；

自适应控制模块，

传感器通过电力线信号调制解调器、电力线耦合滤波装置，接入电力线；

电力线通过电力线耦合滤波装置、电力线信号调制解调器，载波信号分别发送至控制器模块、红外遥控模块、WIFI模块；

智能终端与WIFI模块无线连接；

电源开关采用双联双控开关，由手动开关和控制器模块分别进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于电力载波的智能家居系统，其特征在于：控制器主控芯片选用了STC89C52芯片为控制核心。

3.根据权利要求1所述的基于电力载波的智能家居系统，其特征在于：红外遥控模块具有WIFI功能，通过WIFI模块接收智能终端发送的指令。

4.根据权利要求1所述的基于电力载波的智能家居系统，其特征在于：控制器模块具有WIFI功能，通过WIFI模块与智能终端进行指令交换。

5.根据权利要求1所述的基于电力载波的智能家居系统，其特征在于：还具有电源模块，用于供电；控制器还具有触摸屏，用于显示传感信息、提示信息、输入用户指令。

6.根据权利要求1所述的基于电力载波的智能家居系统，其特征在于：控制器模块还具有串口，串口采用MAX3232芯片。

7.根据权利要求1所述的基于电力载波的智能家居系统，其特征在于：传感器包括温度传感器、和/或湿度传感器、和/或烟雾传感器。

8.根据权利要求7所述的基于电力载波的智能家居系统，其特征在于：温度采集选用了DS18B20温度传感器。

9.根据权利要求1所述的基于电力载波的智能家居系统，其特征在于：电力线信号调制解调器采用OFDM调制技术。