基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)

盛　軍,謝志婉（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,河南　平頂山　467001）

基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)

盛軍,謝志婉
（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,河南平頂山467001）

摘要：為簡化傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的復雜結(jié)構(gòu)，并增強其擴展性和易用性，提出了一種基于電力線通信技術(shù)結(jié)合智能設(shè)備即插即用的智能家居系統(tǒng)。通過構(gòu)建基于低壓配電網(wǎng)，結(jié)合智能插座，降低智能設(shè)備對家庭網(wǎng)關(guān)的依賴性，為智能家居系統(tǒng)和電力載波通信技術(shù)的應用提出了新的思路。

關(guān)鍵詞：即插即用式；電力載波技術(shù)；智能家居系統(tǒng)

0　引言

電力載波通信由于使用電力線作為載波信號的傳輸媒介，是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式，因此具有信息傳輸路由合理，穩(wěn)定可靠、可同時復用信號等特點。室內(nèi)家電無須增加雙絞線、紅外線等接口，由于電力線和信號線合一，只要在內(nèi)部配備電力線載波通信芯片、更新程序，或者使用智能插座，便可實現(xiàn)對原有家電的改造，人們原來家用電器的使用習慣都基本不受影響。電力載波通訊技術(shù)在智能家居應用方面有著較廣泛的前景，表現(xiàn)在家電系統(tǒng)控制信息量小，即使電力線載波速度慢也不影響其通信質(zhì)量，在中速率傳輸應用方面，具有造價低廉、可靠性高等優(yōu)點，從多方面來講，基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)占有明顯優(yōu)勢。

1　基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)整體方案

目前，智能家居系統(tǒng)發(fā)展到了逐步成熟的階段，而且人們組建智能家居系統(tǒng)更具擴展性和靈活性。但是在智能家居系統(tǒng)的即插即用組網(wǎng)方面還存在發(fā)展的空間，本文設(shè)計了基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)的整體方案。

1.1采用電力線傳輸媒介的優(yōu)勢

以電力載波通信技術(shù)基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)，采用電力線作為唯一通信傳輸媒介。通過對比目前使用較多的通信方式手段，比如無線、4G技術(shù)，電力線介質(zhì)有著獨特的優(yōu)勢。在對用戶的應用需求和市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)無論從經(jīng)濟方面、技術(shù)方面，還是可靠性方面，采用電力線傳輸媒介的智能家居系統(tǒng)是較為實用和完善的方案。

在已經(jīng)建成的住宅中，電力系統(tǒng)是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，因此電線遍布每個房間。使用電力線傳輸媒介，節(jié)省了無線部署或重新布線的麻煩，當然也節(jié)約了大量資金。在每一個房間都會有電源插座，只需在電源插座后插入智能插座，或者將房間原有的電源插座替換為擁有通信控制開關(guān)和電力線通信模塊的智能插座，然后通過配置，與家庭網(wǎng)關(guān)連接實現(xiàn)對各個智能插座的通信控制，家庭網(wǎng)關(guān)再連接ISP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程控制，從而即簡單又方便的建立起智能家居系統(tǒng)。電力線傳輸數(shù)據(jù)信息，因其具有安裝簡單、配置方便靈活，以及較強的擴展性，充分滿足了智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與應用需求。

1.2智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中，可以將智能家居設(shè)備分為復雜設(shè)備和簡單設(shè)備，一般情況復雜設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)連接能力，簡單設(shè)備一般不具有網(wǎng)絡(luò)連接能力只有控制開關(guān)功能。傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)備節(jié)點需要解決供電和通信雙重問題，因為通信是采用非電力線以外的其他方式，所以成本高。我們使用的智能插座，是具有帶數(shù)據(jù)交互和網(wǎng)絡(luò)通信功能的電源插座，解決了為簡單設(shè)備供電的同時實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接問題。智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢如下：

（1）在系統(tǒng)部署中，根據(jù)應用需求，可以隨意地增加或撤除智能插座，網(wǎng)絡(luò)的擴展性較好；

（2）有效降低智能家居網(wǎng)絡(luò)部署的復雜性。使用智能插座可以兼容絕大部分家電設(shè)備，而不需要改動原有的家電設(shè)備或者購買帶有智能模塊的家電。

（3）智能插座屏蔽了簡單設(shè)備特定的接口類型和底層通信協(xié)議，智能設(shè)備對家庭網(wǎng)關(guān)而言保持了一致性，是家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計的基礎(chǔ)[1]。

2　智能插座

智能插座除具有供電模塊外，由通信模塊、電流采樣模塊、電壓采樣模塊、報警模塊組成。通信模塊由福星曉程PLC3000系列載波調(diào)制芯片及控制器、載波發(fā)射模塊、功率強度顯示模塊組成。報警模塊通過導線溫度采樣異常情況實現(xiàn)報警。智能插座模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

智能插座工作原理：

（1）設(shè)備控制：MCU是處理中心，把從電源插頭火線處的電壓、電流互感器采樣的數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與正常數(shù)據(jù)進行比較，將數(shù)據(jù)存儲，同時將控制功率強度數(shù)據(jù)采用LED方式顯示。

（2）溫度報警：在火線絕緣層外安裝溫度傳感器，MCU將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行預處理與存儲，然后通過載波通信模塊以一定的時間間隔把采集的數(shù)據(jù)通過電力線發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫，用于查詢、報警。

（3）當MCU偵測到電流強度超過預設(shè)參數(shù)上限；,電流強度持續(xù)在5秒內(nèi)高過預設(shè)上限，則繼電器斷開，實現(xiàn)跳閘，同時功率強度LED指示燈開始閃爍，蜂鳴器開始響起。MCU發(fā)送報警指令到家庭網(wǎng)關(guān)，向用戶發(fā)送報警信息。

（4）當MCU偵測到導線溫度超過預設(shè)參數(shù)上限；MCU處理器開始計數(shù)，導線溫度傳感器數(shù)據(jù)持續(xù)在5秒內(nèi)高過預設(shè)上限，則保護繼電器斷開，實現(xiàn)跳閘，同時溫度報警LED指示燈開始閃爍，蜂鳴器開始響起。MCU發(fā)送報警指令到家庭網(wǎng)關(guān)，向用戶發(fā)送報警信息。

3　電力線即插即用式智能家居系統(tǒng)的功能

（1）實現(xiàn)各種家電設(shè)備的自動控制、遠程控制。比如：空調(diào)可以根據(jù)室內(nèi)、外溫度變化自動調(diào)整,始終保持令人舒適的室內(nèi)溫度,用戶也可以遠程控制開關(guān)空調(diào)?？梢赃h程控制廚房家電，電磁爐、電飯鍋、微波爐等，提前做出可口的飯菜。可以控制衛(wèi)生間浴室的熱水器的開關(guān)與溫度，可以再你會見前就準備好洗澡水?？梢钥刂萍彝ビ霸合到y(tǒng)定時或隨時播放背景影音等。

（2）具有安全預警功能。比如可以實現(xiàn)非法闖入報警，水、煤氣泄漏、火災報警，關(guān)鍵部位現(xiàn)場拍照錄像，當有人員入侵，自動向用戶發(fā)送報警信息,同時啟動相關(guān)電器,實現(xiàn)主動防范。

（3）能夠水、電、氣、熱表等遠程抄表功能,進一步實現(xiàn)家庭與物業(yè)管理公司的聯(lián)系

（4）家庭各房間可以利用智能插座通信功能，實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)服務，免除穿墻布線的麻煩。

（5）具有大數(shù)據(jù)功能。智能信息家電可以通過網(wǎng)絡(luò)直接從家電制造商的服務網(wǎng)站相連，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，搜集用戶使用習慣，為用推送更新驅(qū)動程序及診斷程序,實現(xiàn)家電的遠程故障自診斷和智能化新功能擴展。

4　結(jié)論

通過研究開發(fā)了基于電力載波技術(shù)的即插即用式智能家居系統(tǒng)，使用即插即用式智能插座，降低家庭網(wǎng)關(guān)與智能家電設(shè)備的依賴性。利用電力載波技術(shù)，使用電力線實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與供電控制合二為一，避免了繁瑣的網(wǎng)絡(luò)布線或無線設(shè)備部署，即有效滿足了智能家居的實用性，有提高了設(shè)備的可靠性和兼容性，同時具有良好的抗干擾能力，從而為利用電力載波技術(shù)和智能家居系統(tǒng)應用提供了新的思路與發(fā)展方向。

參考文獻：

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[5]福州大學.帶數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通訊功能的智能插座:中國，201320336673.5[P].2013,12(04).

作者簡介：盛軍（1977-），男，碩士，講師，研究方向：機電一體化，計算機網(wǎng)絡(luò)應用。