基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

宣航

(沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽110045)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

宣航

(沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽110045)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展使智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有了更成熟的技術(shù)支撐。在充分研究智能家居各項(xiàng)技術(shù)的前提下，設(shè)計(jì)了一種基于電力線載波通信技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TOP6410開發(fā)板為核心，以O(shè)FDM調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了智能家居系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件平臺(tái)。結(jié)果證明該智能家居系統(tǒng)不僅功能完善，而且具有信息傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)的基本特性。

智能家居；OFDM調(diào)制；物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程控制

智能家居是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ夹g(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息家電技術(shù)、嵌入式技術(shù)、設(shè)備自動(dòng)化控制、綜合布線等技術(shù)于一體的，為人們提供舒適便利、安全環(huán)保、健康高效居住方式的生活環(huán)境。智能家居的核心技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為智能家居產(chǎn)業(yè)提供了強(qiáng)有力的支撐。

物聯(lián)網(wǎng)利用傳感器的數(shù)據(jù)采集能力，將底層信息采集和互聯(lián)網(wǎng)相銜接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的遠(yuǎn)程控制和感知的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)一般分為三個(gè)層次：感知層、通信層、應(yīng)用層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)層，是信息的來源。物聯(lián)網(wǎng)感知層目前大多采用無線傳輸技術(shù)，如藍(lán)牙、ZigBee、無線局域網(wǎng)WLAN、Wifi等來構(gòu)建，但是以無線傳輸技術(shù)為主體的信息采集在空間產(chǎn)生的大量電磁輻射，會(huì)對(duì)人們的健康產(chǎn)生不良的影響，尤其是在智能家居中，盡量減少射頻設(shè)備的存在也是保證居住者身心健康的必要考量。

目前在我國居家環(huán)境中，均由電力系統(tǒng)提供220 V、工頻50 Hz的低壓電。而以居家配電線路作為傳輸介質(zhì)，將采集數(shù)據(jù)利用相應(yīng)技術(shù)手段調(diào)制并加載到工頻50 Hz的電力線路中，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、傳遞和交換的過程，不僅可以減少重新布線的工程復(fù)雜性，也可以提高通信的安全性，是智能家居底層信息采集的良好選擇。

1 電力線載波通信技術(shù)

在家居環(huán)境中，電力線路主要以低壓線路的形式存在。低壓電力線載波通信技術(shù)主要是指利用低壓配電網(wǎng)中的電力線作為信號(hào)的傳輸媒介，對(duì)信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行一定范圍傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｄ壳埃S著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，中壓電力線載波通信發(fā)展的如火如荼，在電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、用電負(fù)荷的預(yù)測(cè)與控制、智能集中抄表等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，而低壓線路載波通信技術(shù)的開發(fā)還不盡如人意。

低壓電力線路在居家環(huán)境中，是一種運(yùn)行最為穩(wěn)定、可靠性最高的線路，將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)的采集和控制具有一定的天然優(yōu)勢(shì)。但是由于電力線路的主要功能是為用電設(shè)備提供大功率的電源能量，而使用電力線路的用電設(shè)備種類多、使用周期不確定且可能會(huì)產(chǎn)生一定程度的諧波，因此，利用電力線路來傳送信號(hào)就會(huì)受到電力線上噪聲多、電流強(qiáng)及負(fù)載不確定等特點(diǎn)的影響。要想實(shí)現(xiàn)信號(hào)在低壓線路上順利傳輸，克服以上問題，就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定形式的調(diào)制。

電力線載波通道的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。數(shù)據(jù)信號(hào)的收發(fā)利用載波機(jī)來實(shí)現(xiàn)，載波機(jī)通過RS485 總線連接至低壓電路的母線上。為了提高抗干擾性，信號(hào)通過高頻電纜經(jīng)濾波器組濾波后，再接一個(gè)耦合電容器隔離工頻高壓電，從而將載波電流傳送到低壓配電電線上，圖1 中阻波器的作用是阻礙載波電流流向變電所的母線側(cè)，減小信號(hào)的分流損失。

圖1 電力線載波通道結(jié)構(gòu)

2 電力載波通道中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)分析

低壓電力線路是一種高噪聲、高時(shí)變、強(qiáng)衰減的通信信道。由于低壓電力上負(fù)載工作的不確定性造成了線路上阻值的不確定性，這帶來了干擾的隨機(jī)性及高時(shí)變性，同時(shí)，這一性質(zhì)還帶來了信號(hào)快速衰減的特性。而電力線路中各種非線性電器設(shè)備的使用又給低壓配電網(wǎng)帶來了極大的噪音。這使得信號(hào)在低壓配電線路上進(jìn)行傳輸變得困難重重。

要想解決以上問題，就要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效調(diào)制。

信號(hào)調(diào)制的目的是使所傳送的信息更好地適應(yīng)信道的特性，以達(dá)到有效和可靠傳輸?shù)哪康摹Ｄ壳俺Ｓ玫臄?shù)字載波調(diào)制技術(shù)有幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)等。而這些都存在去噪聲能力差、難以抵御頻帶劇烈衰減所帶來的不利影響，因此不適用于高速率、高容量信號(hào)傳輸?shù)牡蛪弘娏d波通信方式。

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型的頻分復(fù)用方式，它可以采用并行系統(tǒng)來減小串行傳輸所遇到的信道衰減、噪聲大等問題。OFDM就是把整個(gè)可用的信道頻帶按照某種規(guī)則劃分成若干個(gè)小的等寬子信道，并把串行信號(hào)碼元按照子信道的大小變換為與子信道同樣數(shù)量的并行信號(hào)碼元，分別將這些碼元調(diào)制后在子信道上并行同步傳輸?shù)倪^程，具體系統(tǒng)如圖2所示[1]。

圖2 OFDM系統(tǒng)

OFDM多載波傳輸技術(shù)，利用離散傅里葉變換(DFT)和逆離散傅里葉變換(IDFT)來解決信號(hào)發(fā)送、傳遞和接收的問題，以產(chǎn)生多個(gè)互相正交的子載波來傳輸信號(hào)，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性。這一特性能夠很好地克服窄帶傳輸?shù)脑肼暫透煽箚栴}，降低多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度，是一種很好的電力線路物理層信號(hào)調(diào)制方案。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

一個(gè)優(yōu)良的智能家居系統(tǒng)，需要滿足以下的功能服務(wù)[2]：(1)始終在線的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為家居生活提供無障礙互聯(lián)網(wǎng)生活；(2)安全可靠的安防體系，實(shí)時(shí)監(jiān)控火災(zāi)、煤氣及非法闖入，結(jié)合自動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防范；(3)優(yōu)良的遠(yuǎn)程及智能控制，創(chuàng)造智能生活舒適空間。因此，構(gòu)建符合要求的智能家居系統(tǒng)，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)有效的嵌入式系統(tǒng)。

圖3為智能家居控制系統(tǒng)整體框架圖，從圖中可知該系統(tǒng)以嵌入式控制中心為核心，采用TOP6410開發(fā)板作為核心部件，TOP6410開發(fā)板是一款高性能、高集成板及強(qiáng)擴(kuò)展性的一體化開發(fā)板，能提供智能家居系統(tǒng)所需的主要功能。在TOP6410開發(fā)板上集成了基于ARM11的S3C6410處理器，該處理器有16位和32位兩種選擇，本設(shè)計(jì)采用32位處理器，可以有效地為硬件提供高性能的服務(wù)。S3C6410芯片還可能提供2.5G和3G的服務(wù)接口，因此，可以采用GPRS或3G進(jìn)行手機(jī)端的遠(yuǎn)程控制。S3C6410芯片自帶的多種硬件加速器可以為智能家居中的多媒體子系統(tǒng)提供有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理支撐。

圖3 智能家居控制系統(tǒng)整體框架圖

TOP6410開發(fā)板通過PLC電力線與各家居管理子系統(tǒng)相連接。這些子系統(tǒng)包括安防報(bào)警系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、溫濕度管理系統(tǒng)、多媒體管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，再通過控制中心對(duì)數(shù)據(jù)分析后通過Internet網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程控制中心，形成控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的操縱，從而形成遠(yuǎn)程控制。同時(shí)也可以在分析數(shù)據(jù)后自動(dòng)生成控制命令，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。底層為信息采集層，以嵌入式控制中心為核心，低壓電力線為信息傳輸載體；中間層為通信層，采用以太網(wǎng)連接Internet網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來完現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳送；應(yīng)用層為遠(yuǎn)程控制中心，主要完成各應(yīng)用子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)采用TOP6410開發(fā)板來構(gòu)造家居網(wǎng)關(guān)的控制中心，利用電力線實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)及控制命令的傳輸，并采用OFDM數(shù)字調(diào)制方式來提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性和可靠性，從而為智能家居各子系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供有力的技術(shù)支撐。

[1]章堅(jiān)武.移動(dòng)通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013：86-87.

[2] 李明亮，劉小龍.基于ARM11的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：274-275.

DevelopmentofsmarthomemonitoringsystembasedonInternetofthings

XUAN Hang

The rapid development of IOT make the implementation of smart home system have more mature technical support.On the premise of fully researching various techniques in smart home,a kind of smart home control system based on power line carrier communication technology was designed and developed.The hardware architecture and software platform of smart home based on TOP6410 board and OFDM modulation technology were built.The results show that the smart home system not only has full function,but also has very fast information transmission speed and strong anti-interference ability.

smart home;OFDM modulation;Internet of things;remote control

TM 769

A

1002-087 X(2015)04-0836-02

2015-01-05

宣航(1978—)，女，遼寧省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和通信技術(shù)。