电力线载波家电控制系统设计

电力线载波家电控制系统设计

一、研究目的与意义

随着信息技术的迅速发展，家居环境的逐步改善，人们生活水平的提高，家居智能化也正逐步迈进普通家庭生活中，促使住宅智能化、信息化、数字化及网络化成为了现实。智能化住宅提供了一个由家居智能化系统构成的高度安全、生活舒适、通信快捷的信息化与自动化融合的居住空间，这样可以满足当今社会人们快节奏的生活方式以及安全、开放的生活需求。

本课题以更趋于实际家庭应用为向导，尝试建立一套低成本、人性化、通用化的基于GSM网络和电力线载波的智能家居控制系统，所以本文采用了GSM 手机拨打控制的远程控制方式，满足了智能家居控制系统的远程性、实时性、直观性；采用了电力线载波技术传输控制指令的室内控制方式，保证了智能家居控制系统不需要额外布线，适用于普通家庭居住环境使用的同时又不失安全可靠性。

智能家居大大改变人们的生活质量和工作方式，家居数字化、建筑智能化及相关技术产品正在得到发展，智能化家居将逐步走入人们的生活，特别是适合我国家居特色的智能家居产品更受到青睐，其应用前景是非常广阔的。

二、国内外研究现状

1、国外现状

国外发达国家如美国、日本、新加坡等越来越多的家庭配置了家庭智能化系统。在智能家居产品方面，成熟的智能家居系统、具备网络接入功能的信息家电越来越多；在行业规范方面，它正逐步成形，例如家庭总线系统HBS（Home Bus System）；在质量认证体系方面，发达国家很大的一部分产品已经通过国际质量认证。

随着技术的发展，国外的智能家居系统正朝着更大更全，依赖机顶盒和网络技术逐步完善，将家居自动控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。在国际市场的激烈竞争下，不少公司已经拥有家庭综合布线系统的成熟产品，但是其造价却是很昂贵的。

2、国内现状

国内智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准。智能化小区建设在我国虽然起步较晚，但发展非常迅速。现阶段，市场上见到较多的产品均是各种孤立的系统，如安防系统、灯光控制、水电气表无线抄表系统等，这些系统多是为解决某方面的问题而设计，并没有比较全面地利用家庭组网技术实现整个家庭的智能化管理。在家庭内部组网主要有无线方式和有线方式两种。有线方式主要是基于传统的有线网络技术，在家居智能化建设中普遍存在着布线繁琐、成本高、施工周期长、可扩展性差等问题；无线方式可以很好地解决上述问题，具有良好的灵活性、便捷性等，目前常用的有蓝牙技术、ZigBee技术、无线射频技术等，但普遍存在通信距离短、无线电污染、系统不稳定等问题，简单的协议在无线通信系统中效果也是差强人意。智能家居产业正处于一个没有突出的统帅品牌和领军企业的引导期，市场处于无序竞争期，没有一个统一的标准，各种应用技术各显神通导致智能家居产品五花八门；加上智能家居行业市场没有成熟，价格战、广告战和服务战还没有爆发，市场份额较为分散，市场尚处于一个需要逐步培育和引导的阶段。

本课题以更趋于实际家庭应用为向导，对相关技术进行一定的研究，尝试建立一套低成本、人性化、通用化的基于电力线载波和GSM网络的智能家居控制系统。

三、系统总体方案设计

智能家居的基本目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境，特别是随着社会的不断发展和进步，用户对智能化系统的规模、自动化程度会不断扩大和提高，用户的需求会不断变化，不同层次、不同素质的用户对智能家居控制系统的期望也不一样。所以说，智能家居控制系统的硬件和软件应具有先进性和前瞻性，兼容性和扩展性、高可靠性和安全性。智能家居控制系统具有先进性和前瞻性，避免短期内因技术落后而造成整个系统过早淘汰，最好具备软件升级接口，可以根据需要对系统进行程序固件的更新，在一定时期内保持系统的优越性；智能家居控制系统具有兼容性和扩展性，不同的用户所处的地域不一样，房子结构不一样，有上下层复式结构的，有两房、三房、四房等，房子的布线，电器的摆布也都是各有各特色，用户可根据需求对系统功能进行拓展或组合，发挥系统软件良好的兼容性和扩展性的优势，满足用户的需求；智能家居控制系统具有高可靠性和安全性，是对智能家居控制系统的基本要求，是智能家居控制

系统所追求的主要目标，智能家居控制系统在无人值守的情况下长期低功耗稳定工作，可靠性和安全性都是极其重要的。

为了做到系统不需要额外布线，让普通家庭容易使用，系统总体设计时遵循的主要原则有：

①主机和从机分离式设计，满足用户需求，智能化控制系统的设计将以用户需求分析着手，并以得到用户认可的需求为目标来开展工作；

②采用了电力线载波技术传输控制指令的室内控制方式，保证了智能家居控制系统不需要额外布线，适用于普通家庭居住环境使用；

③利用遍布千家万户的GSM信号作为接入控制信号，避免了电话线的束缚，同时摒弃短信控制而采用手机拨打方式进行控制，很好地提高了控制的实时性和远程性。

系统包括主机一台，受控从机若干台。主机和从机之间通过电力线载波模块进行通信，用户对家用电器的控制有3种方式，包括本地用户通过键盘直接实时控制、本地用户通过红外遥控器实时控制和远程用户通过手机身份验证后远程实时控制。系统总体设计方案架构图如图1所示。

图1系统总体设计方案架构图

本地用户通过键盘直接实时控制：就是直接操作系统主机面板的按键对家用

电器进行实时控制。控制代码通过电力线载波模块发送后，如果从机接收成功则反馈一个接收成功的代码给主机，表示接收成功；如果主机得不到接收成功的代码，则认为此次发送失败，则从新发送控制代码，确保控制代码的发送不丢失。

本地用户通过红外遥控器实时控制：就是操作红外遥控器对准系统主机进行控制，一般情况下室内7~8米内均可随意控制，对本地用户来说是比较适合的一种控制方式。控制代码通过电力线载波模块发送对家用电器进行控制。

远程用户通过手机身份验证后远程实时控制：首先是判断来电号码是否预存的合法号码，如果不是，不予接受；如果是，则接通电话，语音提示输入密码，判断密码是否正确，保证密码正确之后再进入控制状态。控制代码通过电力线载波模块发送对家用电器进行控制。

四、系统硬件电路总体设计方案

采用单片机作为主控制器，各单元电路采用模块化设计。目前室内低压电力线大多采用的是暗线，在不改变室内布线的前提下，通过电力线载波进行控制是最好的实现方案，特别是各种各样的电器无规则地分布在客厅、厨房、卧室、书房、卫生间等处，所以需要若干个从机接收控制，并可根据需要增减、移动，每个从机的控制地址码不相同。而主机则负责控制操作，提供良好的人机界面，采用手机模块通过GSM信号实现远程实时控制。

图2硬件电路总体设计框图

硬件电路总体设计方案如图2所示，主要由一台主机和若干台从机组成。主机通过电源插头接入家庭电网，提供主机工作电源，同时实现通过电力线进行数据的发送与接收。主机负责接收用户从手机、红外遥控器或者按键发出的操作指令，转换成数据通过电力线载波后发送给从机。从机从电力线接收到主机发来的

数据后，判断该数据是否属于本从机地址范围之内，如果不是，则丢弃该数据，等待下一次数据的到来；如果是则查找数据的控制功能，输出控制信号对灯光或空调等进行实时控制。

五、总结与展望

在智能家居控制系统中，进一步集成安防报警、可视对讲、门禁、监控、远程设置等子系统，实现系统的高度集成化、智能化，这是智能家居系统发展方向。

综合运用互联网和无线网络WLAN等通讯方式，运用智能手机、平板电脑等平台，实现系统的更加直观的远程实时控制，更容易受到年轻时尚家庭的追捧。

智能家居和网络控制的未来发展还有很大的空间，在这方面的研究是具有非常大的意义的，具有很大的实用价值与商业开发潜力；同时也还有很长的路要走，今后还需要做更深入的研究。智能建筑是一个动态发展的概念，随着建筑技术的发展，随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展和相互渗透，智能建筑的内涵和技术内容还将日益丰富并继续发展下去。