基于電力載波通信的智能家居系統設計

匡暢 嚴懷安

摘 要：現有基于無線通信技術的智能家居系統存在一些問題，如無線信號相互干擾，需要額外安裝無線設備等。本文設計的基于電力載波通信的智能家居系統，可以不安裝任何額外線纜和設備，直接利用現有電力線和電力插座即可實現家居智能化。本設計功能全面、安裝方便、易于管理，非常適合非智能家居系統的智能化改造。

關鍵詞：智能家居；電力載波通信；STM32

中圖分類號：TN913.8 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0024-02

Design of Intelligent Home System Based on Power Carrier Communication

KUANG Chang YAN Huaian

（Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou Guangdong 510635）

Abstract： There are some problems in the existing intelligent home system based on wireless communication technology， such as wireless signals interfere and additional wireless devices are needed. In this paper， based on the power carrier communication intelligent home system， you can't install any additional cables and equipment， direct use of existing power lines and power outlets to achieve intelligent home. The design features a comprehensive， easy installation， easy to manage， very suitable for non-intelligent home system of intelligent transformation.

Keywords： intelligent home；power carrier communication；STM32

智能家居為人們提供了更為方便舒適的生活方式，它充分利用自動控制、人工智能和傳感網絡等技術，將人們從煩瑣的家務勞動中釋放出來，較好地滿足了人們的生活需求[1]。現有智能家居主要基于無線通信方式，對于需要智能化改造的家居系統，往往需要添加很多無線傳感器和無線設備，眾多的無線網絡和家中的其他無線通信網絡相互沖突，如和WFI、藍牙以及手機信號沖突等。

1 總體框架

基于電力載波的智能家居系統由用戶端、服務器端和控制終端組成，如圖1所示。用戶端可以使用手機、電腦等方式訪問服務器；服務器端由網頁服務器和后臺數據庫構成；控制終端由主控芯片、傳感模塊和電力載波模塊組成。

網頁服務器由STM32主控芯片、網絡模塊、SD卡模塊等構成。服務器可以根據網絡情況獲取IP地址，監聽來自網絡的頁面請求并響應請求，服務器的網頁信息和后臺數據存放在SD卡中。

基于電力載波的智能家居系統是由電力載波模塊、STM32芯片、服務器、數據庫、用戶操作端構成。負載的信息通過STM32芯片的收集、整理傳輸到電力載波模塊，電力載波模塊經過簡單處理后，數據通過電力網傳輸到另外的電力載波模塊，電力載波模塊將接收到的數據信息儲存到數據庫中并加載到服務器上，從而通過互聯網反饋給用戶，等待用戶的指令做進一步的處理。與傳統通信方式相比較，電力載波（Power Line Communication，PLC）具有傳輸速率快、無需重新布線、成本便宜的優勢，為家庭通信提供了極大的便利[2]。

2 硬件設計

本系統控制終端使用的是意法半導體推出的32位Cortex-M3內核STM32F103系列單片機。STM32系列單片機作為目前主流的控制核心，集成了多種總線和豐富的硬件資源，具有很強的處理性能，同時運行功耗低，具有工業級的穩定性，不僅性能優越而且價格低廉，性價比極高，完全能夠滿足本設計智能家居系統的控制要求。

如圖2所示，在控制方面，使用了繼電器模塊和萬向紅外模塊對家電的開關及運行模式進行控制。在數據采集方面，使用溫度、濕度、光敏及音量等傳感器，能夠實現家電運行情況和用戶行為的采集、處理和傳輸。該控制終端基本能實現對一般家居家電運行控制和數據采集的功能。

3 軟件設計

在軟件方面，本設計使用電力載波通信模塊搭建了一個電力線通信網絡，編寫了一套上層通信協議。該協議為每個通信模塊設置了獨立的地址，該地址包含網段地址和硬件地址，其中網段地址標識了目前服務器模塊所處的網段地址，不同的服務器擁有不同的網段地址，在同一個電力線系統中可以共存256個服務器，同一網段下的通信模塊使用同樣的網段地址。

通信模塊接入電力線通信網絡后，會向服務器發送一個地址請求幀，在該請求幀中，通信模塊會向服務器說明自己的工作類型是智能插座、萬能遙控器還是傳感器模塊。服務器收到請求后會自動響應，回復一個沒有被使用的硬件地址，并記錄下該通信模塊的類型，以便在后續通信中獲取相關數據或發送控制指令。

在服務器方面，使用HTML語言編寫了一個網站，網站存放在服務器的SD卡內。配合內置的數據庫，用戶可以通過局域網或互聯網訪問該網站，瀏覽智能家居系統目前的運行狀態，獲取如溫度、濕度等實時數據，了解家居的情況。同時，用戶可以遠程控制家居，改變其運行模式或開關家電。

4 結語

本文設計的基于電力載波的智能家居系統具有安裝方便、控制簡單、價格便宜的優勢，為普通家居升級智能家居提供了極大的便利。針對電力載波通信的網絡結構復雜問題和干擾問題，我們編寫了上層通信協議來保障通信質量，能夠滿足本文智能家居的通信。

參考文獻：

[1]王飛，陳金鷹，劉香燕.智能家居應用現狀及其發展分析[D].成都：成都理工大學，2016.

[2]湯春龍.智能家居信息采集系統的研究與實現[D].長沙：湖南大學，2014.