智能家用電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔林婷

摘 要隨著生活水平的提高，人們尋求便捷、智能的生活方式，“智能家居”隨之興起。本文設(shè)計(jì)了一種基于電力線載波通信的家用電器控制系統(tǒng)，并對(duì)其組成及工作過程、載波通訊協(xié)議、系統(tǒng)測(cè)試等方面分別進(jìn)行了論述。該系統(tǒng)通過主控單元發(fā)出命令，經(jīng)主芯片電路、發(fā)送接收電路耦合傳送到各個(gè)從控單元以控制或查詢家用電器運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)家電的集中控制，便于管理，且具有不需另鋪專用通信線路，節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該系統(tǒng)方案合理，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】電力線載波 通信 控制系統(tǒng) 智能家居 載波通訊協(xié)議

目前應(yīng)用于智能家居的通信方式主要包括無線通信和有線通信，它們?yōu)橹悄芗揖酉到y(tǒng)的構(gòu)建提供了通信保障。無線通信方式包括ZigBee和WiMAX等，有線通信方式包括RS-485和電力線載波通信等。電力線載波通信是利用已有的電力架空明線或地埋電纜通過配電載波設(shè)備來傳遞語音和數(shù)據(jù)的，其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）利用現(xiàn)有的配電線路傳輸，成本低；

（2）其安全性為電力部門所控制，便于管理。

其缺點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸速率較低，容易受到干擾、非線性失真和信道間交叉調(diào)制的影響。家庭環(huán)境中對(duì)數(shù)據(jù)精度及傳輸速率要求不高，主要考慮造價(jià)問題，電力線載波通信方式優(yōu)勢(shì)明顯，符合設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)組成及工作過程

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示。設(shè)置一個(gè)主控單元用以控制從控單元，設(shè)置多個(gè)從控單元分別控制各個(gè)家用電器。主控單元與從控單元都包含主芯片電路、發(fā)送接收電路、電源電路，主控單元設(shè)置了數(shù)碼管用來顯示四位從機(jī)地址；設(shè)置5個(gè)按鍵，其功能分別為：從機(jī)選址（按鍵1、2、3）、發(fā)送或查詢（按鍵4）、開通或關(guān)斷（按鍵5）；設(shè)置兩個(gè)LED，LEDA的亮或滅表示主機(jī)命令分別為發(fā)送或查詢，LEDB的亮或滅表示發(fā)送的控制命令或查詢到的家用電器運(yùn)行狀態(tài)為開通或關(guān)斷。從控單元還設(shè)置了電子交流開關(guān)，分別接不同類型的負(fù)載。

1.2 工作過程

在一個(gè)用戶系統(tǒng)內(nèi)，一個(gè)主控單元控制多個(gè)從控單元，其中主控單元由人控制，負(fù)責(zé)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。主控單元發(fā)送的數(shù)字信號(hào)通過載波芯片內(nèi)部電路進(jìn)行調(diào)制、擴(kuò)頻，經(jīng)過發(fā)送電路進(jìn)行功率放大、濾波并耦合到電力線上。從控單元將信號(hào)耦合出來并對(duì)其進(jìn)行濾波及限幅后輸入載波芯片，在其內(nèi)部進(jìn)行解調(diào)、解擴(kuò)，使接收到的信號(hào)還原成原始的數(shù)字信號(hào)，從而完成數(shù)據(jù)傳輸。從控單元安裝在家用電器進(jìn)線處，由主控單元控制，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的控制與查詢，同時(shí)將查詢到的家用電器運(yùn)行狀態(tài)返回給主控單元。

該系統(tǒng)對(duì)每個(gè)家用電器賦予不同地址碼，當(dāng)要開啟某個(gè)電器時(shí)，先在主控單元上通過按鍵選中地址，隨后主控單元通過電力線將命令傳輸給從控單元，從控單元接收到命令后對(duì)連接在其上的家用電器進(jìn)行相應(yīng)的控制或狀態(tài)查詢。根據(jù)載波通訊協(xié)議幀格式中所設(shè)置的不同地址碼，通過選中不同地址可對(duì)家用電器實(shí)現(xiàn)單個(gè)控制、分組控制或整體控制。當(dāng)進(jìn)行整體控制時(shí)，主控單元通過廣播方式發(fā)送命令給所有從控單元，每個(gè)從控單元都進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。

2 載波通訊協(xié)議

主控單元與從控單元之間依靠一定的載波通訊協(xié)議可以有效通信。本文定義的協(xié)議幀格式如表1所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)采用一個(gè)主控單元和地址不同的三個(gè)從控單元，從控單元的電子交流開關(guān)分別接不同功率、不同負(fù)載類型的家用電器以測(cè)試在不同情況下本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能否正常工作并且達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在主控單元上通過按鍵1、2、3進(jìn)行選址，再通過按鍵4選擇發(fā)送命令或查詢命令。若是發(fā)送命令，還需通過按鍵5選擇發(fā)送開通還是關(guān)斷命令；若是查詢命令，則主控單元上LEDB的亮或滅即代表查詢到的家用電器運(yùn)行狀態(tài)，以上操作可以實(shí)現(xiàn)載波通訊、顯示、控制、查詢功能。經(jīng)過多次試驗(yàn)，該系統(tǒng)從控單元連接的不同負(fù)載類型家用電器均能正確響應(yīng)主控單元的命令并準(zhǔn)確返回其運(yùn)行狀態(tài)，且整個(gè)系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

4 總結(jié)

本文分析設(shè)計(jì)了一種基于電力線載波通信的家用電器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有便于管理，不需另鋪專用通信線路，節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)通過對(duì)不同從控單元的有效控制與準(zhǔn)確狀態(tài)查詢，驗(yàn)證了本系統(tǒng)方案的可行性。

本系統(tǒng)是基于智能家居背景設(shè)計(jì)的，事實(shí)上電力線載波通信在電網(wǎng)自動(dòng)抄表系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為其提供了思路。智能家居未來的發(fā)展需要相關(guān)行業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)的制定和體系的建設(shè)上開展更多的工作，從而有利于整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，避免重復(fù)投入，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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作者單位

西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 陜西省西安市 710048