基于電力載波通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用研究

魏 亮

甘肅省慶陽(yáng)市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 慶陽(yáng) 745000

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，為了滿足人們對(duì)于智能家具管理的要求，文章應(yīng)用電力載波技術(shù)構(gòu)建了智能家居系統(tǒng)，能為節(jié)能環(huán)保提供保障，為高效、高質(zhì)生活奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 基于電力載波通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于電力載波技術(shù)建立智能家居系統(tǒng)主要包括燈光系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)、采暖通風(fēng)系統(tǒng)及安防報(bào)警系統(tǒng)[1]。

（1）燈光系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)能夠智能、實(shí)時(shí)控制家中的照明設(shè)備，從而形成相應(yīng)的智能化處理模式，提高相關(guān)信息處理單元的應(yīng)用效果。通過(guò)智能家居系統(tǒng)能及時(shí)了解設(shè)備開(kāi)啟、關(guān)閉、亮度調(diào)節(jié)及狀態(tài)等內(nèi)容。

（2）家電控制系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程管理家用電器，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，打造便捷、高效的家電應(yīng)用服務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有家電的統(tǒng)一管控。

（3）溫度采暖和通風(fēng)控制系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)可以結(jié)合外界環(huán)境及內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保電動(dòng)窗簾開(kāi)關(guān)、抽風(fēng)機(jī)和換氣扇啟停處理等工序都能貼合實(shí)際環(huán)境需求，從而真正實(shí)現(xiàn)智能化管理，實(shí)現(xiàn)溫度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)[2]。

（4）安防報(bào)警系統(tǒng)。安防報(bào)警管理系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的系統(tǒng)環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)外力入侵，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)鳴笛報(bào)警，并借助手機(jī)中設(shè)定的電話通報(bào)處理單元，連通小區(qū)報(bào)警電話。為了實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警功能，需要在家中安裝煙霧傳感器，煙霧傳感器一旦感應(yīng)到煙霧，會(huì)使系統(tǒng)自動(dòng)鳴笛報(bào)警，并且能撥通火警電話；防煤氣泄漏單元能依據(jù)系統(tǒng)獲取的情報(bào)自動(dòng)關(guān)閉煤氣閥門(mén)。安防報(bào)警管理系統(tǒng)也可以利用綜合控制器完成報(bào)警解除和撤防。

2 基于電力載波通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用方案

2.1 整體架構(gòu)

在智能家居系統(tǒng)的整體架構(gòu)中，系統(tǒng)的組成元件主要包括服務(wù)器、移動(dòng)設(shè)備客戶端、智能網(wǎng)關(guān)和智能插座。依據(jù)整體架構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)模式分類(lèi)，系統(tǒng)的組成元件可以分為室內(nèi)架構(gòu)單元、室外架構(gòu)單元及服務(wù)器架構(gòu)單元三個(gè)組成部分。

2.1.1 室內(nèi)架構(gòu)單元

室內(nèi)架構(gòu)單元主要用于智能網(wǎng)關(guān)和智能插座的實(shí)時(shí)管理，可以配合用電器、智能插座完成相應(yīng)操作[3]。其中，智能插座能計(jì)算、分析電量，及時(shí)采集并匯總瞬時(shí)電壓參數(shù)、電流參數(shù)及功率參數(shù)，以便開(kāi)展節(jié)能省電的智能處理工序。智能網(wǎng)關(guān)的一端連接網(wǎng)線及服務(wù)器通信單元，另一端連接電力線。利用電力載波通信技術(shù)可以匹配室內(nèi)的全部插座通道，維持智能插座開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息、用電數(shù)據(jù)信息的實(shí)效性，并利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息直接上傳到服務(wù)器，借助特定命令幀或者符號(hào)處理系統(tǒng)，建立實(shí)時(shí)控制和命令單元。智能網(wǎng)關(guān)在獲取相關(guān)信息內(nèi)容后，可以利用電力載波通信技術(shù)向指定的智能插座推送相應(yīng)的指令，使其執(zhí)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果的回饋，以便于服務(wù)器了解各個(gè)家用電器的智能管理狀態(tài)。

2.1.2 室外架構(gòu)單元

為了維持室外架構(gòu)單元的一致性和規(guī)范性，要保證室外架構(gòu)單元的規(guī)范性。在GPRS/5G或者Wi-Fi技術(shù)環(huán)境中利用終端監(jiān)控單元，用戶能夠隨時(shí)隨地地監(jiān)控、了解家用電器的日常狀態(tài)[4]。此外，室外架構(gòu)單元不僅能利用電力載波通信技術(shù)完成通信，還能借助PC瀏覽器登錄智能服務(wù)器，配合客戶端應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，選取適配服務(wù)器。用戶登錄相應(yīng)網(wǎng)站或者PC端服務(wù)器，就能及時(shí)了解家中電器的基本運(yùn)行狀態(tài)及用電量，并完成控制工作。

2.1.3 服務(wù)器架構(gòu)單元

在服務(wù)器架構(gòu)單元中，為了保證實(shí)時(shí)監(jiān)控管理的規(guī)范性，要明確服務(wù)器的功能單元，結(jié)合具體應(yīng)用處理標(biāo)準(zhǔn)，維持系統(tǒng)處理的平衡。在搭建服務(wù)器架構(gòu)單元后，配合應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，提高執(zhí)行效果。

（1）服務(wù)器架構(gòu)單元可以向整個(gè)系統(tǒng)提供接口監(jiān)控設(shè)備，并且通過(guò)服務(wù)器能查詢所有連接到家庭網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，從而維持應(yīng)用的合理性和規(guī)范性，及時(shí)形成對(duì)應(yīng)的響應(yīng)模式。用戶可以定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，并將其保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比分析工作，從而建立家庭整體用電量或者單一電器獨(dú)立用電量的匯總控制模式。在服務(wù)器架構(gòu)單元中，相應(yīng)單元還能借助特定的命令幀格式實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭智能網(wǎng)關(guān)，讀取實(shí)時(shí)性命令，從而維持綜合控制的效果[5]。

（2）服務(wù)器架構(gòu)單元可以建立靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)信息管理和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)信息發(fā)布模式，及時(shí)向PC端發(fā)出指令要求，保證瀏覽器登錄服務(wù)模式的科學(xué)性和規(guī)范性。服務(wù)器架構(gòu)單元可以響應(yīng)讀取命令和控制命令，執(zhí)行具體內(nèi)容，最大程度上確保讀取的時(shí)效性。與此同時(shí)，服務(wù)器還能結(jié)合設(shè)計(jì)需要建立不同地域環(huán)境、不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的登錄、控制單元，以實(shí)現(xiàn)智能化的全程管理目標(biāo)，維持服務(wù)器架構(gòu)單元控制效果的最優(yōu)化，促進(jìn)電力載波技術(shù)的全面進(jìn)步[6]。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)主要分為以下部分。

（1）MCU中心計(jì)算和控制單元：采取STM32F103R BT6微控制器，可以實(shí)現(xiàn)功能集成化控制[7]；

（2）網(wǎng)口電路：依據(jù)智能家居的整體應(yīng)用環(huán)境和要求標(biāo)準(zhǔn)，選取對(duì)應(yīng)的電流和外圍電路模式，可以保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有效連接和服務(wù)器通信規(guī)范性；

（3）串口電路：可以保證對(duì)PC端的通信管理，完成對(duì)應(yīng)工序和指令執(zhí)行信號(hào)參數(shù)的設(shè)置工作；

（4）載波電路：分為電力載波通信技術(shù)應(yīng)用電路和外圍電路，能與家用電器的智能插座連接，完成匹配的通信指令；

（5）時(shí)鐘及電源電路：能打造時(shí)鐘模式，保證電源支持結(jié)構(gòu)的規(guī)范性，最大程度上維持應(yīng)用控制效能；

（6）存儲(chǔ)單元：型號(hào)為SST25VF032，能及時(shí)完成參數(shù)的存儲(chǔ)和管理。

智能網(wǎng)關(guān)是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，可以建立基本的信息和內(nèi)容管理平臺(tái)，維持良好的應(yīng)用效果。

2.2.2 智能插座設(shè)計(jì)

智能插座結(jié)構(gòu)主要包括MCU中心計(jì)算單元、磁保持繼電器控制電路、串口電路、PL3106和外圍電路、校表電路、鍵盤(pán)和LCD等。

（1）MCU中心計(jì)算單元：與控制單元、外部計(jì)算機(jī)電路連接，能及時(shí)獲取數(shù)據(jù)，便于后續(xù)開(kāi)展相應(yīng)作業(yè)；

（2）磁保持繼電器控制電路：主要借助對(duì)應(yīng)的功能單元管控電器通斷，維持應(yīng)用的規(guī)范性和合理性；

（3）串口電路：MAX3232和外圍電路，能與PC端進(jìn)行通信設(shè)置，配合插座能建立唯一的ID地址，而且能將獲取的數(shù)據(jù)信息等內(nèi)容直接應(yīng)用在存儲(chǔ)單元內(nèi)；

（4）PL3106和外圍電路：組成基本的載波電路單元，并且可以與智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，在獲取網(wǎng)關(guān)指定協(xié)議內(nèi)容后，可以全面分析協(xié)議幀，在讀取命令的基礎(chǔ)上匯總用電量和狀態(tài)信息，確保網(wǎng)關(guān)能了解各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)應(yīng)用情況，為后續(xù)制訂更加科學(xué)的應(yīng)用決策提供支持；

（5）校表電路：在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)外可以提供校表接口，提升計(jì)算量分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)校表電路的鋪設(shè)和處理能保證電路的穩(wěn)定性；

（6）鍵盤(pán)和LCD：鍵盤(pán)能為智能家居系統(tǒng)提供查詢和實(shí)時(shí)性控制指導(dǎo)，而相匹配的時(shí)鐘和電源能為整體應(yīng)用結(jié)構(gòu)提供必要的服務(wù)。

2.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用要求落實(shí)相應(yīng)的工作單元，確保家用電器用電量與狀態(tài)都能及時(shí)發(fā)送到服務(wù)器并及時(shí)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用控制提供支持，也能最大程度上保證家用電器智能化控制的一致性。

2.3.1 用戶登錄

用戶借助PC端瀏覽器或者手機(jī)、Pad等客戶端填寫(xiě)家庭用戶名稱和密碼，以保證能有效登錄網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。在應(yīng)用控制模式中，程序進(jìn)入起始項(xiàng)時(shí)，用戶需要完成認(rèn)證才能進(jìn)入用戶登錄界面。此時(shí)，用戶要設(shè)置服務(wù)器的獨(dú)立IP地址和端口界面信息，設(shè)置成功后返回，填入家庭用戶名及密碼，完成登錄，然后自動(dòng)連接服務(wù)器的功能處理單元，基本流程如圖1所示。服務(wù)器在接收到相關(guān)登錄信息后能及時(shí)對(duì)比數(shù)據(jù)信息，將其和數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行合法性驗(yàn)證，并返回客戶端提示登錄成功。

圖1 基本流程

2.3.2 數(shù)據(jù)讀取和管理

登錄后可以讀取和管理家庭總用電信息或某一個(gè)家用電器的歷史用電信息。配合數(shù)據(jù)的讀取分析，能制訂相應(yīng)的指令，在維持綜合控制效果的基礎(chǔ)上，保證應(yīng)用模式的規(guī)范性。在服務(wù)器驗(yàn)證操作結(jié)束后，軟件會(huì)從服務(wù)器中自動(dòng)下載當(dāng)天家庭總電量及相關(guān)信息，用戶可以點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕，連接服務(wù)器下載智能插座信息。用戶在獲取信息列表數(shù)據(jù)內(nèi)容后，就能處理后續(xù)工作指令。例如，用戶能在實(shí)際選擇界面中選取某一個(gè)智能插座，查詢其歷史數(shù)據(jù)和用電信息，通過(guò)對(duì)比當(dāng)天的實(shí)際用電量，就能了解智能控制的情況。同時(shí)，服務(wù)器要從數(shù)據(jù)庫(kù)提取信息，并且將信息直接反饋至PC端，用戶通過(guò)查詢歷史數(shù)據(jù)，可以保證相應(yīng)執(zhí)行指令的應(yīng)用效果。

2.3.3 指令下發(fā)和控制

用戶可以結(jié)合實(shí)際需求下發(fā)對(duì)應(yīng)的指令，并且通過(guò)讀取實(shí)時(shí)信息內(nèi)容，對(duì)家用電器進(jìn)行統(tǒng)一控制。用戶登錄成功后能設(shè)置獨(dú)立的家庭網(wǎng)關(guān)信息和參數(shù)信息，確保服務(wù)器在接收到指定命令后配合網(wǎng)格發(fā)送信息，從而提高網(wǎng)關(guān)應(yīng)用實(shí)效性。另外，網(wǎng)關(guān)在獲取驗(yàn)證用戶密碼后，也能匹配合理的控制模式，建立實(shí)時(shí)控制體系。網(wǎng)關(guān)能將對(duì)應(yīng)的智能插座執(zhí)行后的情況和結(jié)果再次反饋至服務(wù)器，并告知用戶，從而建立實(shí)時(shí)的系統(tǒng)控制閉環(huán)模式。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

在建立了完整的系統(tǒng)模式和處理工序后，需要按照指令要求和規(guī)范落實(shí)具體工作，并且保證執(zhí)行過(guò)程滿足標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，基于電力載波通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和應(yīng)用效能較好，能搭建較為完整的應(yīng)用控制模式。智能家居系統(tǒng)能管理家中相關(guān)電器工作狀態(tài)，并且匯總信息內(nèi)容和歷史數(shù)據(jù)；能實(shí)時(shí)查詢家用電器的總用電量和個(gè)別電器的用電量，并且可以了解家用電器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；利用智能家居系統(tǒng)能較為直觀地了解家用電器的使用頻率、工作效率及工作能耗，便于后續(xù)采取更加科學(xué)合理的使用方案，在減少家庭電量消耗的基礎(chǔ)上，最大程度上保證使用體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用電力載波技術(shù)具有重要的意義，能打造完整的電器應(yīng)用管理平臺(tái)，能及時(shí)分析數(shù)據(jù)并獲取對(duì)比結(jié)果，建立科學(xué)規(guī)范的用電控制模式，為環(huán)保性電能應(yīng)用提供保障，也為高效管理、高效生活奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。