基于電力線和嵌入式技術的智能家居系統

摘要：本文針對智能家居系統的高成本的特點和架構的復雜性，將系統架構在電力線通信基礎上。首先討論了其發展前景，然后分析電力線作為智能家居系統的一些主要的優點和缺點，以及缺點的解決方案，再從系統的硬件架構和軟件設置來詳細設計基于電力線和嵌入式技術的智能家居系統。

關鍵詞：電力線；ARM；智能家居

引言

智能家居又稱智能住宅，作為一個系統，利用先進的計算機、網絡通信、自動控制等技術，將與家庭生活有關的各種應用子系統有機地結合在一起，通過綜合管理，讓家庭生活更舒適、安全、有效和節能。

目前智能家居的發展中遇到的最大問題是沒有統一的、低成本的、跟網絡相連的家庭內部智能控制網。電力線通信作為最近幾年迅速發展起來的新技術，以其無需重新布線的優勢，得到了各方面的廣泛關注。基于電力線的智能家居產品要想真正進入市場成本是關鍵，而這取決于采用什么技術實現這些產品。近年來嵌入式技術的發展極為迅速，已經滲透到各行各業，基于電力線的智能家居也可采用這一技術。

1 前景

目前國內外基于電力線的智能家居系統還處于起步階段，很多企業已經啟動智能家居項目，其初期的產品已出現在市面。電力線通信在歐洲發展的較快，德國與英國是目前僅有制定電力線通信規則的兩個國家。在中國，基于電力線的智能家居系統也開始發展起來。在北京開通了幾個實驗小區，也取得了大量的第一手工程資料，這是一個很好的開端。至于何時能進入商業化生產和運營還要綜合考慮技術性能、成本核算和符合國家有關環境政策等方面的問題。隨著時代的發展和進步，中國的智能家居行業必將迅速發展起來。

智能家居市場前景非常可觀，據預測，中國未來五年內智能家居相關產品將形成達到800億元的市場規模。在中國這個擁有近十四億人口的大市場，這對于生產商來說無疑是一個絕佳的機會，而基于嵌入式技術的智能家居系統將建立在低成本上，而且架構和操作都很方便，有較強的競爭力。

2 特點

2.1 優點

智能家居與普通家居相比，不僅具有傳統的居住功能，還能提供舒適安全、高效節能、具有高度人性化的生活空間。將一批原來被動、靜止的家居設備轉變為具有\"智慧\"的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優化人們的生活方式，幫助人們有效地安排時間，增強家庭生活的安全性，并為家庭節省能源費用等。而且如果采用已經成熟的電力線系統，重新布線的成本將沒有，直接將家庭電力線通過電力線調制解調器接入Internet，既可以通過電力線上網，也可遠程控制家電。

2.1 缺點及解決方案

電力線是給用電設備傳送電能的，而不是用來傳送數據的，所以電力線對數據傳輸有許多限制。電力線是一根非均勻分布的傳輸線，使得高頻信號在傳輸時存在衰減，低壓電力線上的輸入阻抗與所傳輸的信號頻率成正比。實驗表明，信號的衰減是距離的函數，低壓電力線在1S內可對某一頻率信號的衰減變化達到20dB，信噪比的變化也可達到10dB左右。低壓電力線上并連著的許多負載對信號衰落影響很大，另外在電力線傳輸信號對相位的影響也不容忽視。

針對這些缺點，智能家居系統可以采用正交多載波調制來克服低壓電力線信道較差的信道條件，選取9到150kHz范圍內的7組共28個互相正交的載波頻率對信號進行調制，具體采用哪組頻率可根據實際的信道情況靈活選擇。

3 硬件設計

本系統準備采用三星公司S3C44B0的ARM7為平臺，以電力線為家庭內部通信媒介，構建了一個具有網絡控制、短信控制和溫度報警、載波通信等通信和控制手段的智能家居系統。S3C44B0良好的性能，使整個系統只需用一片MCU進行控制，增強了系統的可靠性。

本系統分為以下四個主要功能模塊：

①電力線通信。利用S3C44B0開發板的PWM和ADC模塊，輔以外圍濾波、耦合電路，本系統實現了電力線載波的調制和解調。以電力線為通信媒介，可以很方便的實現對家用電器的控制。

②短信控制和報警。可以通過發短信，實現對家用電器的遠程控制。當家庭內部出現異常（如溫度過高），可以發出短信報警。

③網絡控制。利用S3C44B0開發板的Ethernet模塊，設計了嵌入式網絡服務器，可以通過Internet或Ethernet遠程登錄，以控制或查看家用電器的狀態。

④具有鍵盤輸入、LED顯示等人機接口，操作方便，系統狀態一目了然。

4 軟件模塊描述

本系統基于uC/OS-II操作系統，系統軟件主要由中斷處理函數、各個用戶任務組成。主要的兩個模塊如下。

①電力線通信模塊。電力線通信需要至少兩個通信節點，將兩個節點都連接到電網上，S3C44B0開發板通過ADC模塊，對接收到的數據進行采樣，然后調用函數進行解調，最后將解調結果定標后，通過DAC輸出。電力線通信模塊的程序是獨立出來的，而其它幾個部分是集成在uC/OS-II操作系統下面運行的，由各個任務和中斷服務程序組成。

②網絡模塊。分為服務器端和客戶端進行通訊。

在服務器端，首先創建套接字，然后使本地IP和端口與套接字相連，接著開始監聽并設定監聽的連接數為2，然后等待客戶的連接，連接成功返回連接序號，接收客戶端請求，根據接收到的請求數據判斷請求類型并作出相應處理，這里的處理主要是返回各種頁面，這些頁面都是以數組的形式存放在Flash里，再發出頁面數據，同時完成修改密碼以及對電器的遠程控制等操作，最后關閉連接。

在客戶端，建立連接的過程與服務器端相似，連接建立起之后，發送一個HTTP請求報頭，接著接收遠端服務器發回的應答報頭并開始接收實體內容，因為每次最多只能接收1460個字節的數據，所以需分組接收。最終需要的數據在第四組接收到的數據包里，為了節省存儲器空間，對于前面三組數據，每次接收完之后都要將接收緩沖區清空，最后從第四組數據包中提取出關于天氣預報的數據，關閉連接。

5 結語

基于電力線和嵌入式技術的智能家居系統有不需要重新布線，技術先進，使用方便，成本低的特點，具有廣闊的應用前景。在實際市場中，可根據用戶的不同需求進行針對性的設計，并且通過實驗證明整個系統的軟硬件功能都可以完成。該系統實驗完成后改用PCB制作成完整的系統，有著廣泛的應用前景。