基于电力线载波的智能家居控制系统研究

蔡文洋　曾文正　江沛荣　吴耀滨

摘 要： 为了更好地利用现有的家居条件，节约成本，实现绿色环保的理念，设计了一套基于电力线载波通信的智能家居控制系统，该系统结合电力线通信，实现了对家居进行本地和远程的无线智能控制以及监测。通过进行样品房测试，验证的该系统的实用性、可行性和可靠性。

关键词： 电力线通信； MI201E； 智能家居； 智能控制

中图分类号： TN916.52?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0042?05

0 引 言

智能家居是在物联网的影响之下物联化体现。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段[1]。

智能家居技术的发展经历了有线方式和无线方式两个阶段[2]。目前比较成熟的有线连接方式主要有RS 485，但其布线麻烦、可扩展性差[3]。而无线比较成熟的连接方式主要有：WiFi、ZigBee，但其稳定性以及安全性还存在一定的问题[4]。

本文所使用的电力线通信则解决布线及拓展性等问题，由于PLC通信是使用家庭中现有的电线作为传输载体，只要电线能去到的地方，信号都可以去到，无需再布线；另外，如果添加了电器，只要添加相关控制终端即可，无需重新布线。

虽然电力线载波通信拥有很多优越性，但还是存在一些方面的缺陷，例如：

电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传；一般电力载波信号只能在单相电力线上传输[5]等。除此之外，不同的电力线载波芯片其性能也存在着差异，性能较好的价格往往较贵，如美国的埃施朗的PLT?22国际主流品牌，主要针对工业控制网而设计，完善的Lonworks网络协议，国外市场已有几百万片的成熟应用。成套方案绑定销售，方案价格很高，国内技术支持不到位，过高的价格难以在民用市场大规模推广。其他如：青岛东软、福星晓程等国内大多厂家芯片性能评价一般，不能很好的适应中国的电网环境。因此设计了以下方案，并就方案进行了验证。

1 电力线载波通信技术及智能家居控制系统

1.1 电力线载波通信技术

电力线通信技术是利用电力线传输数据的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频信号经过调制后加载于电流，然后通过电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到接收端，以实现信息传递[6]。目前在多种场合使用的低速（1 200 b/s以下）电力载波已很普遍。利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高，可靠性好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传输方面发挥了重要作用。

但是由于目前电力线通信技术尚不成熟，市场上的电力线载波芯片大多存在通信速率低，抗干扰能力差[7]，不能适用中国较为恶劣的电网环境等不足问题。因此目前电力线载波通信技术大多应用于智能抄表，环境测量等数据量低的领域中，这就大大限定了电力线载波通信技术的应用范围，限制了其进一步的推广以及发展。

本系统在芯片的传输速率、调制方式、抗干扰性、网络通信协议、成本等性能上综合考虑，选用弥亚微电子MI201E载波芯片。该芯片为高性能、高集成度物理层通信芯片，性价比较高。具有完善的系统方案和网络通信协议，能自动组网，自动中继，自动维护路由，技术支持到位[8]。MI201E是一个可工作于码分多址（CDMA）方式的半双工调制解调芯片，并且提供载波侦听和有效帧指示信号，可方便地实现基于共享信道的网络接入协议[8]。MI201E具有以下特点[8]：

（1） 检测过零发送机制，避开电力线重载区；

（2） 可变扩频增益控制；

（3） 可适用于不同环境的自适应传输速率；

（4） 三种可选的载波频率；

（5） 八个可选的扩频码；

（6） 内置CRC?16硬件校验电路；

（7） 内置开关电容带通滤波器；

（8） 内置数字功率放大器；

（9） 符合 EN50065?1以及IEC61000?3?8标准。

基于芯片的性能以及价格，本系统选用MI201E电力线载波通信芯片。

1.2 智能家居控制系统

房内通信由于电力线载波速率很低，因此无法采用主从联网方式。针对电力线载波的特点和灯光控制的实际需要，采用载波侦听多次广播方式发送数据的方式。当某个设备的状态发生改变时，则进行载波侦听，当电力线数据通信空闲时，再发送多次（暂定3次）的“房态包”，其他设备收到“房态包”后则同步自己的状态（同类设备）或执行相关操作。同时，每个模块上电时会向网关PLC发送“注册包”以更新房间最新的状态。

系统设计框图如图1所示。

在本系统中，每个控制模块都通过一个电力线载波模块接入电网进行通信。为了便于识别各个模块，在本系统中对各种类型的设备进行了分类，由相应的数据包进行传输，如：温控包、开关包、房态包等。由于通信速度上的缺陷，设置的协议里面并不要求接收方在接到数据之后进行回复，只是通过连续发送3次的方式来确保对方能接到，除此之外，还要求当自身状态发生改变的时候进行通报，以便其他设备及时更新数据，记录下房间内当前的状态。由于是采用广播式网络，因此，在每个模块状态发生改变的时候，主机都可以知道并且记录下来，通过查询主机，即可知道当前房态信息，也可控制房间的用电器。

1.2.1 PLC智能网关和用户设备之间的电力线通信协议

客房内所有设备之间采用电力线通信，发送信号前先做载波侦听，检测到总线空闲时才启动发送程序；设备之间采用广播方式通信，当设备状态改变时，侦测到总线空闲，即广播方式发送数据。发送的“房态包”主要有“开关包”、“温控包”、“调光包”，每种“房态包”包括“包属性码”与“包信息”，而且“房态包”的字节数必须为偶数，以保证电力线载波通信的正确。另外，模块上电时会自动向主机发送“注册包”等待主机返回“房态包”以更新房间的最新状态。其通信参考流程如下：

（1） 注册包：用以获取当前最新房态，避免因掉电造出数据包丢失而引起的系统故障。

工作流程：当模块上电后，自动向PLC网关发送注册包，等待网关回复最新房态数据，若没有收到同类的“房态包”，则每隔1 s发送一次，若1 min后没有接到，则自动进入工作模式；发送数据前必须先侦听载波，判断总线空闲后再发送数据。

发送方向： PLC网关。

通信设置：默认1 600 b/s，波特率由发送端设置。

（2） 开关包：开关类设备状态发生变化时（如：某按键被按下），修改对应“开关包”相应的位置（只写相对应字节），其他位置不允许做任何操作，然后再发送“开关包”；其他同类设备则同步自己的模块对应“开关包”相应状态（只读相对应字节），PLC网关自动上传一次房态数据。

工作流程：发送数据前必须先侦听载波，判断总线空闲后再发送数据。

发送方向：任何电力线载波设备之间，主要是开关设备和PLC网关之间。

通信设置：默认1 600 b/s，波特率由发送端设置。

（3） 温控包：当空调面板状态改变时，自动生成并发送“温控包”，PLC网关收到后自动上传一次房态数据。

工作流程：发送数据前必须先侦听载波，判断总线空闲后再发送数据。

发送方向：PLC网关?温控板。

通信设置：默认1 600 b/s，波特率由发送端设置。

（4） 调光包：当调光开关面板灯光亮度和状态发生变化时，自动发出调光包（亮度和开关状态信息），PLC网关收到后自动上传一次房态数据。

工作流程：发送数据前必须先侦听载波，判断总线空闲后再发送数据。

发送方向：PLC网关?调光输出模块。

通信设置：默认1 600 b/s，波特率由发送端设置。

1.2.2 用户设备模块和PLC模块通信协议

用户设备模块与PLC模块通信采用485通信，其通信的数据包只有“485数据包”。主要功能如下：将来自电力线上的数据通过485通信送给用户设备模块，由用户设备模块进行解包；将来自用户设备模块传来的数据发到电力线上；解析来自用户设备模块传来的数据并执行相应的动作。

通信流程如下：

（1） 用户应用设备模块状态发生改变，先发送“模块操作包”给PLC通信模块改变PLC通信模块相应继电器，再发送“房态包”到PLC通信模块；

（2） PLC通信模块接收到来自应用设备模块的“485数据包”则进行相应操作；

（3） PLC通信模块接收到电力线上的数据，把数据送给用户应用设备模块；

（4） 用户应用设备模块收到来自PLC通信模块的数据，则进行相应操作；

（5） 两模块进行通信时，均必须先检测485线是否空闲，空闲才能发送数据。

2 智能家居控制系统的软硬件系统设计及实现

2.1 PLC电力线智能网关模块

智能网关模块主要功能为：

（1） 具有电力线通信功能，可与用户设备（如：温控器、触摸开关面板等）双向通信；

（2） 具有以太网接口，通过TCP/IP与上位机（PC机）联网，实现双向房态数据的传输和监控；

（3） 具有4个LED状态指示（供电状态、房号指示、报警指示、网络状态）；

（4） 具有蜂鸣器声音报警、发送和接收各种“房态包”等。

智能网关的工作流程如图2所示。

2.2 插卡取电模块

插卡取电模块主要功能为：

（1） 插入房卡，执行定义的场景，打开指定的设备（发送“开关包”）；受控插座自动供电（接收到“房态包”后30 A继电器执行吸合）。

（2） 拔卡时，执行定义的场景，如延时开关某些设备（通过延时后发送“开关包”实现）。拔卡后所有设备不受现场控制，上位机则可通过发送“房态包”、“空调包”到PLC网关远程控制房间的用户设备；拔卡后，受控延时30 s切断受控电源插座供电等。

插卡取电模块的工作流程如图3所示。

2.3 温控模块模块

温控模块主要功能为：

（1） 具有空调控制继电器，可控制风机开关、风机风量、控制水阀开关；

（2） 能显示空调的“开关”、“设定温度”和“实际温度”等状态，并在状态发生改变时（用户设置、设备主动或远程控制）通过电力线载波把“温控包”发送给PLC网关。

温控模块的工作流程如图4所示。

2.4 调光模块

由于在本系统设计过程中，考虑到实际情况，因此，并没有把调光控制面板和调光输出做在同一模块上。主要分为如下两个模块：

2.4.1 调光面板

调光面板主要功能：

（1） 调光灯可无级调节；

（2） 具有开关和调光两个按键，默认开启的亮度50%；按开关键可开关调光灯，按住调光开关，则循环亮度调节。

以往的调光都是调光按键不断地发送数据出去控制调光控制模块，从而实现亮度的调节，但考虑到本系统通信速率上的因素，改变了传统的方案；在本系统中，在调光面板上，当按键按下时就给输出模块发送调光指令，输出模块在接到指令后自行进行亮度调节，当松开按键时则发送一个停止指令，输出模块就不在进行调节。

调光面板的工作流程如图5所示。

2.4.2 调光输出模块

调光输出模块的主要功能如下：

（1） 每个模块可控制2路灯光调光；

（2） 具有5个LED状态指示（供电状态、报警指示、RS 485连接状态、两路输出状态）。

调光输出模块的工作流程如图6所示。

2.5 载波通信模块

载波通信模块主要功能为：

（1） 具有RS 485通信，与应用设备模块进行通信，将电力线上接收到的数据上传到应用设备模块；

（2） 具有电力线通信模块，将由应用设备模块传来的数据发送到电力线上，接收电力线上发送的数据；

（3） 具有4个继电器开关，可控制电器开关；

（4） 具有5个LED灯，分别显示“供电状态”、“发送状态”、“接收状态”、“其他”。

由于在本系统中，载波通信模块是作为通信的中介的作用，因此，其是透明传输的，也就是从电力线上得到什么就直接转发给上一级模块，而上一级模块的数据也是直接转发到电力线上。

载波通信模块的工作流程如图7所示。

3 结 语

本文介绍了基于MI201E电力线载波通信的智能家居控制系统，详细阐述了整套系统的设计及思路，同时，该系统的搭建成功也验证了电力线通信的可行性、可靠性以及方便性。

参考文献

[1] 张秀国.基于物联网的智能家居控制系统的设计研究[J].数字技术与应用，2012（12）：105?106.

[2] 胡晓东，戴瑜兴.基于ZigBee技术的智能家居控制系统设计[J].低压电器，2008（14）：19?21.

[3] 齐海鸥，段常贵.燃气自动抄表系统通信方式的确定[J].煤气与热力，2007，27（11）：41?43.

[4] 佚名.RFID关联技术与应用（一）：WiFi技术及其应用[J].中国电子商情（RFID技术与应用），2008（1）：54?56.

[5] 盛占石，张东花，杨年法，等.电力线载波通信中继策略[J].自动化与仪表，2011（1）：32?35.

[6] 李宁.电力线通信技术解析[J].产业与科技论坛，2011（13）：100?102.

[7] 刘洋.基于FSK的电力载波通信SoC芯片设计与验证[D].武汉：华中科技大学，2012.

[8] 弥亚微电子公司.MI201E高性能低压电力线载波通信[EB/OL]. [2011?09?10].http：//www.miartech.com/.

调光输出模块的工作流程如图6所示。

2.5 载波通信模块

载波通信模块主要功能为：

（1） 具有RS 485通信，与应用设备模块进行通信，将电力线上接收到的数据上传到应用设备模块；

（2） 具有电力线通信模块，将由应用设备模块传来的数据发送到电力线上，接收电力线上发送的数据；

（3） 具有4个继电器开关，可控制电器开关；

（4） 具有5个LED灯，分别显示“供电状态”、“发送状态”、“接收状态”、“其他”。

由于在本系统中，载波通信模块是作为通信的中介的作用，因此，其是透明传输的，也就是从电力线上得到什么就直接转发给上一级模块，而上一级模块的数据也是直接转发到电力线上。

载波通信模块的工作流程如图7所示。

3 结 语

本文介绍了基于MI201E电力线载波通信的智能家居控制系统，详细阐述了整套系统的设计及思路，同时，该系统的搭建成功也验证了电力线通信的可行性、可靠性以及方便性。

参考文献

[1] 张秀国.基于物联网的智能家居控制系统的设计研究[J].数字技术与应用，2012（12）：105?106.

[2] 胡晓东，戴瑜兴.基于ZigBee技术的智能家居控制系统设计[J].低压电器，2008（14）：19?21.

[3] 齐海鸥，段常贵.燃气自动抄表系统通信方式的确定[J].煤气与热力，2007，27（11）：41?43.

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[5] 盛占石，张东花，杨年法，等.电力线载波通信中继策略[J].自动化与仪表，2011（1）：32?35.

[6] 李宁.电力线通信技术解析[J].产业与科技论坛，2011（13）：100?102.

[7] 刘洋.基于FSK的电力载波通信SoC芯片设计与验证[D].武汉：华中科技大学，2012.

[8] 弥亚微电子公司.MI201E高性能低压电力线载波通信[EB/OL]. [2011?09?10].http：//www.miartech.com/.

调光输出模块的工作流程如图6所示。

2.5 载波通信模块

载波通信模块主要功能为：

（1） 具有RS 485通信，与应用设备模块进行通信，将电力线上接收到的数据上传到应用设备模块；

（2） 具有电力线通信模块，将由应用设备模块传来的数据发送到电力线上，接收电力线上发送的数据；

（3） 具有4个继电器开关，可控制电器开关；

（4） 具有5个LED灯，分别显示“供电状态”、“发送状态”、“接收状态”、“其他”。

由于在本系统中，载波通信模块是作为通信的中介的作用，因此，其是透明传输的，也就是从电力线上得到什么就直接转发给上一级模块，而上一级模块的数据也是直接转发到电力线上。

载波通信模块的工作流程如图7所示。

3 结 语

本文介绍了基于MI201E电力线载波通信的智能家居控制系统，详细阐述了整套系统的设计及思路，同时，该系统的搭建成功也验证了电力线通信的可行性、可靠性以及方便性。

参考文献

[1] 张秀国.基于物联网的智能家居控制系统的设计研究[J].数字技术与应用，2012（12）：105?106.

[2] 胡晓东，戴瑜兴.基于ZigBee技术的智能家居控制系统设计[J].低压电器，2008（14）：19?21.

[3] 齐海鸥，段常贵.燃气自动抄表系统通信方式的确定[J].煤气与热力，2007，27（11）：41?43.

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