基于MI201E電力線載波通信的智能家居控制系統

蔡文洋　曾文正　江沛榮　吳耀濱

摘 要： 為了更好地利用現有的家居條件，節約成本，實現綠色環保的理念，設計了一套基于電力線載波通信的智能家居控制系統，該系統結合電力線通信，實現了對家居進行本地和遠程的無線智能控制以及監測。通過進行樣品房測試，驗證的該系統的實用性、可行性和可靠性。

關鍵詞： 電力線通信； MI201E； 智能家居； 智能控制

中圖分類號： TN916.52?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0042?05

0 引 言

智能家居是在物聯網的影響之下物聯化體現。智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、環境監測、暖通控制、紅外轉發以及可編程定時控制等多種功能和手段[1]。

智能家居技術的發展經歷了有線方式和無線方式兩個階段[2]。目前比較成熟的有線連接方式主要有RS 485，但其布線麻煩、可擴展性差[3]。而無線比較成熟的連接方式主要有：WiFi、ZigBee，但其穩定性以及安全性還存在一定的問題[4]。

本文所使用的電力線通信則解決布線及拓展性等問題，由于PLC通信是使用家庭中現有的電線作為傳輸載體，只要電線能去到的地方，信號都可以去到，無需再布線；另外，如果添加了電器，只要添加相關控制終端即可，無需重新布線。

雖然電力線載波通信擁有很多優越性，但還是存在一些方面的缺陷，例如：

電力載波信號只能在一個配電變壓器區域范圍內傳；一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸[5]等。除此之外，不同的電力線載波芯片其性能也存在著差異，性能較好的價格往往較貴，如美國的埃施朗的PLT?22國際主流品牌，主要針對工業控制網而設計，完善的Lonworks網絡協議，國外市場已有幾百萬片的成熟應用。成套方案綁定銷售，方案價格很高，國內技術支持不到位，過高的價格難以在民用市場大規模推廣。其他如：青島東軟、福星曉程等國內大多廠家芯片性能評價一般，不能很好的適應中國的電網環境。因此設計了以下方案，并就方案進行了驗證。

1 電力線載波通信技術及智能家居控制系統

1.1 電力線載波通信技術

電力線通信技術是利用電力線傳輸數據的一種通信方式。該技術是把載有信息的高頻信號經過調制后加載于電流，然后通過電線傳輸，接受信息的調制解調器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到接收端，以實現信息傳遞[6]。目前在多種場合使用的低速（1 200 b/s以下）電力載波已很普遍。利用輸電線路作為信號的傳輸媒介，人們利用電力線可以傳輸電話、電報、遠動、數據和遠方保護信號等。由于電力線機械強度高，可靠性好，不需要線路的基礎建設投資和日常的維護費用，因此PLC具有較高的經濟性和可靠性，在電力系統的調度通信、生產指揮、行政業務通信以及各種信息傳輸方面發揮了重要作用。

但是由于目前電力線通信技術尚不成熟，市場上的電力線載波芯片大多存在通信速率低，抗干擾能力差[7]，不能適用中國較為惡劣的電網環境等不足問題。因此目前電力線載波通信技術大多應用于智能抄表，環境測量等數據量低的領域中，這就大大限定了電力線載波通信技術的應用范圍，限制了其進一步的推廣以及發展。

本系統在芯片的傳輸速率、調制方式、抗干擾性、網絡通信協議、成本等性能上綜合考慮，選用彌亞微電子MI201E載波芯片。該芯片為高性能、高集成度物理層通信芯片，性價比較高。具有完善的系統方案和網絡通信協議，能自動組網，自動中繼，自動維護路由，技術支持到位[8]。MI201E是一個可工作于碼分多址（CDMA）方式的半雙工調制解調芯片，并且提供載波偵聽和有效幀指示信號，可方便地實現基于共享信道的網絡接入協議[8]。MI201E具有以下特點[8]：

（1） 檢測過零發送機制，避開電力線重載區；

（2） 可變擴頻增益控制；

（3） 可適用于不同環境的自適應傳輸速率；

（4） 三種可選的載波頻率；

（5） 八個可選的擴頻碼；

（6） 內置CRC?16硬件校驗電路；

（7） 內置開關電容帶通濾波器；

（8） 內置數字功率放大器；

（9） 符合 EN50065?1以及IEC61000?3?8標準。

基于芯片的性能以及價格，本系統選用MI201E電力線載波通信芯片。

1.2 智能家居控制系統

房內通信由于電力線載波速率很低，因此無法采用主從聯網方式。針對電力線載波的特點和燈光控制的實際需要，采用載波偵聽多次廣播方式發送數據的方式。當某個設備的狀態發生改變時，則進行載波偵聽，當電力線數據通信空閑時，再發送多次（暫定3次）的“房態包”，其他設備收到“房態包”后則同步自己的狀態（同類設備）或執行相關操作。同時，每個模塊上電時會向網關PLC發送“注冊包”以更新房間最新的狀態。

系統設計框圖如圖1所示。

在本系統中，每個控制模塊都通過一個電力線載波模塊接入電網進行通信。為了便于識別各個模塊，在本系統中對各種類型的設備進行了分類，由相應的數據包進行傳輸，如：溫控包、開關包、房態包等。由于通信速度上的缺陷，設置的協議里面并不要求接收方在接到數據之后進行回復，只是通過連續發送3次的方式來確保對方能接到，除此之外，還要求當自身狀態發生改變的時候進行通報，以便其他設備及時更新數據，記錄下房間內當前的狀態。由于是采用廣播式網絡，因此，在每個模塊狀態發生改變的時候，主機都可以知道并且記錄下來，通過查詢主機，即可知道當前房態信息，也可控制房間的用電器。

1.2.1 PLC智能網關和用戶設備之間的電力線通信協議

客房內所有設備之間采用電力線通信，發送信號前先做載波偵聽，檢測到總線空閑時才啟動發送程序；設備之間采用廣播方式通信，當設備狀態改變時，偵測到總線空閑，即廣播方式發送數據。發送的“房態包”主要有“開關包”、“溫控包”、“調光包”，每種“房態包”包括“包屬性碼”與“包信息”，而且“房態包”的字節數必須為偶數，以保證電力線載波通信的正確。另外，模塊上電時會自動向主機發送“注冊包”等待主機返回“房態包”以更新房間的最新狀態。其通信參考流程如下：

（1） 注冊包：用以獲取當前最新房態，避免因掉電造出數據包丟失而引起的系統故障。

工作流程：當模塊上電后，自動向PLC網關發送注冊包，等待網關回復最新房態數據，若沒有收到同類的“房態包”，則每隔1 s發送一次，若1 min后沒有接到，則自動進入工作模式；發送數據前必須先偵聽載波，判斷總線空閑后再發送數據。

發送方向： PLC網關。

通信設置：默認1 600 b/s，波特率由發送端設置。

（2） 開關包：開關類設備狀態發生變化時（如：某按鍵被按下），修改對應“開關包”相應的位置（只寫相對應字節），其他位置不允許做任何操作，然后再發送“開關包”；其他同類設備則同步自己的模塊對應“開關包”相應狀態（只讀相對應字節），PLC網關自動上傳一次房態數據。

工作流程：發送數據前必須先偵聽載波，判斷總線空閑后再發送數據。

發送方向：任何電力線載波設備之間，主要是開關設備和PLC網關之間。

通信設置：默認1 600 b/s，波特率由發送端設置。

（3） 溫控包：當空調面板狀態改變時，自動生成并發送“溫控包”，PLC網關收到后自動上傳一次房態數據。

工作流程：發送數據前必須先偵聽載波，判斷總線空閑后再發送數據。

發送方向：PLC網關?溫控板。

通信設置：默認1 600 b/s，波特率由發送端設置。

（4） 調光包：當調光開關面板燈光亮度和狀態發生變化時，自動發出調光包（亮度和開關狀態信息），PLC網關收到后自動上傳一次房態數據。

工作流程：發送數據前必須先偵聽載波，判斷總線空閑后再發送數據。

發送方向：PLC網關?調光輸出模塊。

通信設置：默認1 600 b/s，波特率由發送端設置。

1.2.2 用戶設備模塊和PLC模塊通信協議

用戶設備模塊與PLC模塊通信采用485通信，其通信的數據包只有“485數據包”。主要功能如下：將來自電力線上的數據通過485通信送給用戶設備模塊，由用戶設備模塊進行解包；將來自用戶設備模塊傳來的數據發到電力線上；解析來自用戶設備模塊傳來的數據并執行相應的動作。

通信流程如下：

（1） 用戶應用設備模塊狀態發生改變，先發送“模塊操作包”給PLC通信模塊改變PLC通信模塊相應繼電器，再發送“房態包”到PLC通信模塊；

（2） PLC通信模塊接收到來自應用設備模塊的“485數據包”則進行相應操作；

（3） PLC通信模塊接收到電力線上的數據，把數據送給用戶應用設備模塊；

（4） 用戶應用設備模塊收到來自PLC通信模塊的數據，則進行相應操作；

（5） 兩模塊進行通信時，均必須先檢測485線是否空閑，空閑才能發送數據。

2 智能家居控制系統的軟硬件系統設計及實現

2.1 PLC電力線智能網關模塊

智能網關模塊主要功能為：

（1） 具有電力線通信功能，可與用戶設備（如：溫控器、觸摸開關面板等）雙向通信；

（2） 具有以太網接口，通過TCP/IP與上位機（PC機）聯網，實現雙向房態數據的傳輸和監控；

（3） 具有4個LED狀態指示（供電狀態、房號指示、報警指示、網絡狀態）；

（4） 具有蜂鳴器聲音報警、發送和接收各種“房態包”等。

智能網關的工作流程如圖2所示。

2.2 插卡取電模塊

插卡取電模塊主要功能為：

（1） 插入房卡，執行定義的場景，打開指定的設備（發送“開關包”）；受控插座自動供電（接收到“房態包”后30 A繼電器執行吸合）。

（2） 拔卡時，執行定義的場景，如延時開關某些設備（通過延時后發送“開關包”實現）。拔卡后所有設備不受現場控制，上位機則可通過發送“房態包”、“空調包”到PLC網關遠程控制房間的用戶設備；拔卡后，受控延時30 s切斷受控電源插座供電等。

插卡取電模塊的工作流程如圖3所示。

2.3 溫控模塊模塊

溫控模塊主要功能為：

（1） 具有空調控制繼電器，可控制風機開關、風機風量、控制水閥開關；

（2） 能顯示空調的“開關”、“設定溫度”和“實際溫度”等狀態，并在狀態發生改變時（用戶設置、設備主動或遠程控制）通過電力線載波把“溫控包”發送給PLC網關。

溫控模塊的工作流程如圖4所示。

2.4 調光模塊

由于在本系統設計過程中，考慮到實際情況，因此，并沒有把調光控制面板和調光輸出做在同一模塊上。主要分為如下兩個模塊：

2.4.1 調光面板

調光面板主要功能：

（1） 調光燈可無級調節；

（2） 具有開關和調光兩個按鍵，默認開啟的亮度50%；按開關鍵可開關調光燈，按住調光開關，則循環亮度調節。

以往的調光都是調光按鍵不斷地發送數據出去控制調光控制模塊，從而實現亮度的調節，但考慮到本系統通信速率上的因素，改變了傳統的方案；在本系統中，在調光面板上，當按鍵按下時就給輸出模塊發送調光指令，輸出模塊在接到指令后自行進行亮度調節，當松開按鍵時則發送一個停止指令，輸出模塊就不在進行調節。

調光面板的工作流程如圖5所示。

2.4.2 調光輸出模塊

調光輸出模塊的主要功能如下：

（1） 每個模塊可控制2路燈光調光；

（2） 具有5個LED狀態指示（供電狀態、報警指示、RS 485連接狀態、兩路輸出狀態）。

調光輸出模塊的工作流程如圖6所示。

2.5 載波通信模塊

載波通信模塊主要功能為：

（1） 具有RS 485通信，與應用設備模塊進行通信，將電力線上接收到的數據上傳到應用設備模塊；

（2） 具有電力線通信模塊，將由應用設備模塊傳來的數據發送到電力線上，接收電力線上發送的數據；

（3） 具有4個繼電器開關，可控制電器開關；

（4） 具有5個LED燈，分別顯示“供電狀態”、“發送狀態”、“接收狀態”、“其他”。

由于在本系統中，載波通信模塊是作為通信的中介的作用，因此，其是透明傳輸的，也就是從電力線上得到什么就直接轉發給上一級模塊，而上一級模塊的數據也是直接轉發到電力線上。

載波通信模塊的工作流程如圖7所示。

3 結 語

本文介紹了基于MI201E電力線載波通信的智能家居控制系統，詳細闡述了整套系統的設計及思路，同時，該系統的搭建成功也驗證了電力線通信的可行性、可靠性以及方便性。

參考文獻

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[2] 胡曉東，戴瑜興.基于ZigBee技術的智能家居控制系統設計[J].低壓電器，2008（14）：19?21.

[3] 齊海鷗，段常貴.燃氣自動抄表系統通信方式的確定[J].煤氣與熱力，2007，27（11）：41?43.

[4] 佚名.RFID關聯技術與應用（一）：WiFi技術及其應用[J].中國電子商情（RFID技術與應用），2008（1）：54?56.

[5] 盛占石，張東花，楊年法，等.電力線載波通信中繼策略[J].自動化與儀表，2011（1）：32?35.

[6] 李寧.電力線通信技術解析[J].產業與科技論壇，2011（13）：100?102.

[7] 劉洋.基于FSK的電力載波通信SoC芯片設計與驗證[D].武漢：華中科技大學，2012.

[8] 彌亞微電子公司.MI201E高性能低壓電力線載波通信[EB/OL]. [2011?09?10].http：//www.miartech.com/.

調光輸出模塊的工作流程如圖6所示。

2.5 載波通信模塊

載波通信模塊主要功能為：

（1） 具有RS 485通信，與應用設備模塊進行通信，將電力線上接收到的數據上傳到應用設備模塊；

（2） 具有電力線通信模塊，將由應用設備模塊傳來的數據發送到電力線上，接收電力線上發送的數據；

（3） 具有4個繼電器開關，可控制電器開關；

（4） 具有5個LED燈，分別顯示“供電狀態”、“發送狀態”、“接收狀態”、“其他”。

由于在本系統中，載波通信模塊是作為通信的中介的作用，因此，其是透明傳輸的，也就是從電力線上得到什么就直接轉發給上一級模塊，而上一級模塊的數據也是直接轉發到電力線上。

載波通信模塊的工作流程如圖7所示。

3 結 語

本文介紹了基于MI201E電力線載波通信的智能家居控制系統，詳細闡述了整套系統的設計及思路，同時，該系統的搭建成功也驗證了電力線通信的可行性、可靠性以及方便性。

參考文獻

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調光輸出模塊的工作流程如圖6所示。

2.5 載波通信模塊

載波通信模塊主要功能為：

（1） 具有RS 485通信，與應用設備模塊進行通信，將電力線上接收到的數據上傳到應用設備模塊；

（2） 具有電力線通信模塊，將由應用設備模塊傳來的數據發送到電力線上，接收電力線上發送的數據；

（3） 具有4個繼電器開關，可控制電器開關；

（4） 具有5個LED燈，分別顯示“供電狀態”、“發送狀態”、“接收狀態”、“其他”。

由于在本系統中，載波通信模塊是作為通信的中介的作用，因此，其是透明傳輸的，也就是從電力線上得到什么就直接轉發給上一級模塊，而上一級模塊的數據也是直接轉發到電力線上。

載波通信模塊的工作流程如圖7所示。

3 結 語

本文介紹了基于MI201E電力線載波通信的智能家居控制系統，詳細闡述了整套系統的設計及思路，同時，該系統的搭建成功也驗證了電力線通信的可行性、可靠性以及方便性。

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