基于ARM和電力載波的智能家居設(shè)計

引言 一般智能家居系統(tǒng)從組網(wǎng)上來看都可以分為外部網(wǎng)、內(nèi)部網(wǎng)、和網(wǎng)關(guān)三部分。而本文著重研究的是智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)的組成與應(yīng)用。相對于目前的智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)，使用電力載波技術(shù)，可以使現(xiàn)有的家庭電力線成為通信信道，避免了使用傳統(tǒng)繁瑣的布線過程，同時也適合對老房智能家居改造的需求。相對于ZigBee無線通信技術(shù)，在同樣方便怏捷的基礎(chǔ)上，電力載波的擴展性更好，可靠性更高，抗千擾能力較好，同時由于電力線布于墻肉，硬件相對更安全，不易損壞。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成 家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為3個部分：電力線網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、因特網(wǎng)。電力線網(wǎng)絡(luò)作為內(nèi)網(wǎng)的信道，主要用于嵌入式系統(tǒng)與各個節(jié)點的交互通信。 電力線載波通信(Power LineCommunication)是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行傳輸?shù)募夹g(shù)。目前，世界上最大的有線網(wǎng)絡(luò)是電力線網(wǎng)絡(luò)，利用電力線網(wǎng)絡(luò)有以下優(yōu)勢：

1)充分利用電力線網(wǎng)絡(luò)資源，從而有效進行資源整合，符合整體發(fā)展趨勢，節(jié)約資源。 2)通過電力載波技術(shù)，可以減少或去除繁瑣的布線過程，尤其是在對老式住宅的智能化改造的過程中，節(jié)約大量材料和人力成本，即插即用，永不掉線。 3)相對于ZigBee等無線技術(shù)，電力線載波通信技術(shù)不會對周圍家用電器產(chǎn)生干擾。

低壓電力載波技術(shù)也有傳輸速率低，傳輸距離不遠以及信息量較少等缺陷，但是由于家庭內(nèi)部使用范圍小，家居系統(tǒng)控制命令簡單等原因，非常適合智能家居中使用。嵌入式系統(tǒng)以基于ARM Cortex-M3的STM32處理模塊為控制核心，負責對各類數(shù)據(jù)的運算和人機交互界面(GUI)的處理，是整個系統(tǒng)的核心部件。嵌入式系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)與外部Internet網(wǎng)相連，遵循TCP／IP協(xié)議，為用戶提供了遠程PC端或手機端的控制方式。家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 系統(tǒng)硬件框架 電力載波模塊和節(jié)點插座 由于家庭內(nèi)網(wǎng)使用的是電力載波技術(shù)，其一大好處就是可以使用家庭內(nèi)部的電力線。和電力線伴生的有大量的多孔插座。 系統(tǒng)設(shè)計了使用STC89C52單片機作為核心的多功能插座，作為系統(tǒng)各類節(jié)點，進行采集、通信、控制家電等低層驅(qū)動。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，貼片型89C52體積小，功耗低，同時單價低廉，完全滿足家庭智能控制的需求。 多功能插座具有紅外線學習功能，使用KS 1638紅外一體化接收頭作為接收發(fā)射頭，有效發(fā)射接收距離大于10m，完全滿足目前家庭使用需要。即使在目前智能家電不普及的情況，仍可以通過對多功能插座的擴展和升級，對紅外類家電和各類簡易電器進行控制，從而滿足了老式住宅對智能化的改造需求。 插座集成電力線載波通信模塊、由于低壓電力載波通信環(huán)境遠比高壓電力載波環(huán)境復(fù)雜，故選用中穎SH99F0 l電力載波芯片。SH99F01是一顆高度集成的電力線載波通信sOc，內(nèi)部集成了增強型5l單片機和電力線載波通信模塊。集成前端模擬電路，9k～525k-Hz載波頻率可調(diào)，采用窄帶BPSK調(diào)制和63位擴頻調(diào)制，靈敏度高達100uvp.P。由于家居系統(tǒng)電力線載波通信距離較近，故選用BPSK調(diào)制技術(shù)。電力載波模塊電路圖如圖2所不。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)以stm32f103vc芯片作為控制核心。stm32f103vc芯片核心為ARM 32-bit Cortex-M3 CPU，擁有72MHz主頻，s12kB閃存，由于本系統(tǒng)節(jié)點也擁有計算能力，降低了主控制臺的計算要求。故本芯片已經(jīng)滿足了系統(tǒng)需求。 選用ENC28J60以太網(wǎng)控制芯片與Internet網(wǎng)連接。美國微芯科技公司生產(chǎn)的ENC28J60芯片兼容IEEE 802.3標準，最高速度可達10MB／s，工作溫度在0℃到70℃之間，滿足家庭使用需求。

主控臺觸控界面使用北京迪文公司的K600工業(yè)級人機界面，7.0寸800×480圖形點陣，65k色TFTHMI，更為美觀的同時，使用大觸屏、大字體滿足在家老人對控制界面的要求。

系統(tǒng)硬件框架圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件系統(tǒng)框架設(shè)計 本軟件系統(tǒng)由客戶端、Web服務(wù)器、底層驅(qū)動3部分構(gòu)成。其中Web服務(wù)器作為核心部分。一般客戶端由個人電腦或者智能手機組成，通過自帶瀏覽器可以與Web服務(wù)器通信。Web服務(wù)器則通過電力載波與插座通信，驅(qū)動各類家電。軟件整體構(gòu)架圖如圖4所示。 Web網(wǎng)頁設(shè)計 Web網(wǎng)頁作為控制端界面，主要由靜態(tài)表單和文字構(gòu)成，靜態(tài)頁面通過HTML來實現(xiàn)，借助Dreamever8等開發(fā)工具開發(fā)。動態(tài)頁面則可以通過javascript等技術(shù)實現(xiàn)。網(wǎng)頁界面如圖S所示。 主程序設(shè)計 服務(wù)器端主程序使用c語言開發(fā)，內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議。自行編寫簡易系統(tǒng)，寫入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及需要的底層驅(qū)動，在不減少功能的情況下，減少代碼數(shù)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免了各類針對流行嵌入式系統(tǒng)的惡意行為，提高了系統(tǒng)的安全性。 當啟動設(shè)備以后，系統(tǒng)先進行初始化，并要求用戶輸入正確的賬號密碼。在正確輸入后，系統(tǒng)將采集現(xiàn)有設(shè)備、環(huán)境參數(shù)。其后系統(tǒng)會等待外部指令。這里的外部指令是指手機、電腦端向嵌入式系統(tǒng)發(fā)送的操作命令。系統(tǒng)收到命令以后，將對命令進行處理，并通過電力線載波通信對下位節(jié)點發(fā)送操作指令，接收下位機返回狀態(tài)，并更新設(shè)備狀態(tài)，從而使其他合法Intermet冬端能夠知曉家庭狀況。系統(tǒng)將輪詢設(shè)備狀態(tài)并更新，從而使遠程數(shù)據(jù)與本地設(shè)備狀態(tài)保持同步。

程序流程圖如圖6所示。 結(jié)語

隨著人民生活水平的提高和社會經(jīng)濟的發(fā)展，智能家居不再成為富人的專屬。智能家居系統(tǒng)作為未來的趨勢，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的發(fā)展市場，值得我們進行大量的探討和研究。