基于ARM和電力載波的智能家居設計

引言 一般智能家居系統從組網上來看都可以分為外部網、內部網、和網關三部分。而本文著重研究的是智能家居系統內部網的通信網絡的組成與應用。相對于目前的智能家居系統組網技術，使用電力載波技術，可以使現有的家庭電力線成為通信信道，避免了使用傳統繁瑣的布線過程，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，在同樣方便怏捷的基礎上，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。系統總體結構 系統網絡組成 家居系統的網絡結構可以分為3個部分：電力線網絡、嵌入式系統、因特網。電力線網絡作為內網的信道，主要用于嵌入式系統與各個節點的交互通信。 電力線載波通信(Power LineCommunication)是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行傳輸的技術。目前，世界上最大的有線網絡是電力線網絡，利用電力線網絡有以下優勢：

1)充分利用電力線網絡資源，從而有效進行資源整合，符合整體發展趨勢，節約資源。 2)通過電力載波技術，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，電力線載波通信技術不會對周圍家用電器產生干擾。

低壓電力載波技術也有傳輸速率低，傳輸距離不遠以及信息量較少等缺陷，但是由于家庭內部使用范圍小，家居系統控制命令簡單等原因，非常適合智能家居中使用。嵌入式系統以基于ARM Cortex-M3的STM32處理模塊為控制核心，負責對各類數據的運算和人機交互界面(GUI)的處理，是整個系統的核心部件。嵌入式系統通過網關與外部Internet網相連，遵循TCP／IP協議，為用戶提供了遠程PC端或手機端的控制方式。家居系統的網絡結構圖如圖1所示。 系統硬件框架 電力載波模塊和節點插座 由于家庭內網使用的是電力載波技術，其一大好處就是可以使用家庭內部的電力線。和電力線伴生的有大量的多孔插座。 系統設計了使用STC89C52單片機作為核心的多功能插座，作為系統各類節點，進行采集、通信、控制家電等低層驅動。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k在系統可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程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射頭，有效發射接收距離大于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境遠比高壓電力載波環境復雜，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，采用窄帶BPSK調制和63位擴頻調制，靈敏度高達100uvp.P。由于家居系統電力線載波通信距離較近，故選用BPSK調制技術。電力載波模塊電路圖如圖2所不。

系統硬件結構

嵌入式系統以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，由于本系統節點也擁有計算能力，降低了主控制臺的計算要求。故本芯片已經滿足了系統需求。 選用ENC28J60以太網控制芯片與Internet網連接。美國微芯科技公司生產的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。

系統硬件框架圖如圖3所示。系統軟件設計 軟件系統框架設計 本軟件系統由客戶端、Web服務器、底層驅動3部分構成。其中Web服務器作為核心部分。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服務器通信。Web服務器則通過電力載波與插座通信，驅動各類家電。軟件整體構架圖如圖4所示。 Web網頁設計 Web網頁作為控制端界面，主要由靜態表單和文字構成，靜態頁面通過HTML來實現，借助Dreamever8等開發工具開發。動態頁面則可以通過javascript等技術實現。網頁界面如圖S所示。 主程序設計 服務器端主程序使用c語言開發，內嵌TCP／IP協議。自行編寫簡易系統，寫入網絡協議以及需要的底層驅動，在不減少功能的情況下，減少代碼數量，提高系統穩定性，避免了各類針對流行嵌入式系統的惡意行為，提高了系統的安全性。 當啟動設備以后，系統先進行初始化，并要求用戶輸入正確的賬號密碼。在正確輸入后，系統將采集現有設備、環境參數。其后系統會等待外部指令。這里的外部指令是指手機、電腦端向嵌入式系統發送的操作命令。系統收到命令以后，將對命令進行處理，并通過電力線載波通信對下位節點發送操作指令，接收下位機返回狀態，并更新設備狀態，從而使其他合法Intermet冬端能夠知曉家庭狀況。系統將輪詢設備狀態并更新，從而使遠程數據與本地設備狀態保持同步。

程序流程圖如圖6所示。 結語

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