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摘要：智能家居通过内部网络把所有的家电设备连接在一起，使得家居的控制变得更有效和便捷。目前，大多数的智能家居用以太网，Wi- Fi，蓝牙等方式进行连接和组网，但是这些方式都有使用相对复杂，成本较高的缺点，Wi-Fi 等无线组网的方式还有易受墙体阻隔的困扰。随着电力载波通信的发展，越来越多的智能家居采用电力载波通信方式进行内部组网。本文主要叙述的是基于电力载波的智能家居系统设计，本设计功能全面、安装方便、易于管理，非常适合非智能家居系统的智能化改造。
关键词：电力载波通信；智能家居；系统设计
在科学技术飞速发展的今天，人们的物质条件和生活水平都在不断地提高，人们对家居环境的要求也在不断地增长，家居不仅要舒适 更加需要便捷、高效、远程控制，使人们可以随时随地控制家中设备. 传统的智能家居系统中，只能使用 PC 控制家中设备，且家庭中要增加各种信号和电源布线，或采用高频辐射的方式传输信号造成信号污染。 随着科技发展智能手机已经得到普及，且随着人们生活水平的提高， 人们对高频污染也越来越重视，以电力线载波通信技术为基础，智能 手机和移动设备客户端随时随地对家电设备查询控制的智能家居系统将是大势所趋。
系统的整体结构
系统主要由主机、分机和通信网络 3 部分构成，总体设计如图 1 所示。主机是系统的控制核心，通过电源插头接入家庭网络，主机外 围电路主要由电源模块、外接键盘、LCD 触摸屏、GPRS DTU 模块和以太网模块组成，负责整个系统的任务调度与协调 ; 分机是系统的执行终端，根据需要安装在电器开关的插座节点，负责信号的接收、执 行和回执；电力线载波模块负责主分机之间信息传输。
系统可以通过按键进行本地操控，也可以登陆 WEB 网页或通过手机短信进行远程控制。主机接收到指令后通过电力线传输相应指令给分机，每条指令都有相应的分机验证码，分机接收到指令先核对验 证码是否跟预设码一致，如果一致则分机执行相应控制动作，并反馈 一个执行成功的信号给主机。
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室内设计
室内部分主要包括智能网关和智能插座。用电器直接插在智能 插座上运行，智能插座对其用电量进行计量，并采集其瞬时电压、电 流和功率。智能网关一端接网线与服务器通信，一端连接电力线通过PLC（电力线载波通信技术）与室内所有插座通信，收集智能插座的开关状态和用电数据定时通过网络上传到服务器，服务器通过特定的命令帧格式对智能网关下发实时控制或读取命令，智能网关收到命令后通过PLC 发送给指定智能插座以执行，并将结果返回给服务器。
室外设计
为了实现用户可以随时随地只要有 GPRS/5G、WIFI 等任意一种网络下对自己家庭所有电器进行监控，本系统除了可以通过 PC 浏览器方式登录服务器外，还针对智能手机和Pad 提供了一款客户端软件. 用户可以选择 PC 方式或智能手机和 Pad 客户端的方式登录服务器获取自己家庭中的每一个用电器工作情况和用电量等信息，并对其进行实时控制。
服务器设计
服务器实现以下功能：①提供接口监控现场设备：服务器对所有连接自己的家庭网关进行响应，并将其上传的定时数据保存到数据库， 实现用户可以查询自己家庭总用电量或单一用电器用电量的历史信息。
服务器还可以通过特定的命令帧格式对每个家庭智能网关下发实时控 制和实时读取命令。②静态和动态网页信息发布：响应PC 以浏览器的方式登录服务器，并响应其发出的读取和控制命令并执行，实现用户 PC 浏览器方式的登录、查询、控制。③提供接口监听移动设备客户端的连接：响应智能手机和 Pad 客户端的方式登录服务器，并响应其发出的读取和控制命令并执行，实现用户不同地域、不同网络下的登录、 查询、控制。
系统软硬件设计
①主控模块
主控制器 MCU 选用 ST 公司的 STM32F107VC 微处理器，该系列增强型处理器使用高性能 ARM Cortex － M332bit 的精简指令集内核，工作于 72MHz 的频率上，片内集成了 256kbyte 的闪存和 64kbyte 的静态Ｒ AM，具有丰富的增强型 I/O 端口以及连接到两条 APB 总线的片内外设，且内置以太网 MAC 控制器，支持 MII 和Ｒ MII 接口连接以太网，完全满足了系统的要求。
②电力线载波模块
该系统中选用 SGS—THOMSON 公司的电力线载波芯片— ST7538，ST7538 是在 ST7536、ST7537 基础上推出的又一款专用的半双工，同步 / 异步 FSK 调制解调器芯片，采取了多种抗干扰技术，利用它的多频段性，可以很好的克服窄带通信的缺点。
③分机模块
系统选用 STC12C5612AD 单片机作为终端节点的控制芯片，进行室内信息采集、家电控制。STC12C5612AD 系列单片机是一种低功耗、高性能、超抗干扰的新一代 8051 单片机，内部集成专用复位电路，4 路 PWM，8 路 A/D 转换，具有 12K 在系统可编程 Flash 存储器。贴片型 STC12C5612AD 体积小，单价低廉，完全满足家庭智能控制的需求。
系统软件设计
① WEB 服务器的构建
系统通过 WEB 服务器接入 Internet，用户可以在任何有网络的地方通过 WEB 页面，获取该 WEB 服务器发布的实时信息，进而实现对家中环境的远程控制。WEB 服务器工作时，用户浏览器就是客户端， 服务器需要动态的将系统的相关信息发布到网络上，服务器与浏览器 信息交换我们采用公共网关接口 CGI(CommonGatewayInterface)，它运行在服务器上，提供与客户端 HTML 页面的接口，完成 HTML 无法做到的交互功能。
② GPRS DTU 的配置
GPRS DTU 模块一般带有配置软件。模块上电后，通过串口线与PC 连接好，打开配置软件，设置模块入网的相关参数如IP、端口号、网络协议等，保存设置，重启模块即可工作。客户端可以通过手机短 信与 DTU 实现数据传输，也可以通过上位机实现指令的发送。
③微控制器底层驱动及载波通信软件设计
当系统启动时，程序完成初始化系统开始运行，GPRS 自动拨号上网，开始进入数据接收状态。如果 WEB 客户端发出控制信号，IP 数据报被解析后，控制数据经电力线载波模块传送至终端，终端接收 成功便会发出接收成功的数据，主机完成一次数据发送，轮循进入下 一次数据收发。主机接收到 GPRS 数据处理流程类似。当用户发出查询请求时，分机会据此将反馈信息发送到WEB 页面或用户手机，用户据此做出操作指令。
结束语
本文介绍了基于电力线载波的智能家居控制系统，以 GP Ｒ S 和以太网作为远程传输网，以低压电力线作为室内传输媒介，可以实现 家用电器的远程实时集中控制。
参考文献
[1]李玉平，罗 友，秦会斌，张 稳 . 基于电力线载波通信的智能家居控制系统设计[J]. 电子器件,2014.
[2]周光锋，庄春生，刘春梅 . 基于电力线载波通信技术的智能家居系统设计[J]. 河南科学,2013.
[3]曾锋 . 基于电力载波通信的智能家居控制系统 [J]. 电脑知识与技术,2015.
论文作者:朱佩栋, 雷波, 张达
论文发表刊物:《福光技术》2019年32期
论文发表时间:2020/3/14
标签：载波论文; 电力线论文; 系统论文; 服务器论文; 智能家居论文; 分机论文; 模块论文; 《福光技术》2019年32期论文;