摘要：結合電力線載波通信技術的發(fā)展狀況，提出了基于電力線載波通信技術的智能家居系統(tǒng)設計方案；詳細地闡述了該系統(tǒng)的總體框架設計、遠程終端系統(tǒng)軟件設計以及嵌入式μC／OS系統(tǒng)控制器的硬件設計和軟件設計。系統(tǒng)的實驗檢測結果表明，該方案能夠靈活、快捷地實現(xiàn)對家居設備的控制，而且成本較低。
關鍵詞：電力線載波；μC／OS實時操作系統(tǒng)；ARM7微處理器；智能家居；Android系統(tǒng)

引言
    電力線通信(Power Line Communication)技術是指把載有信息的高頻加載于電流，利用既有電力線進行傳輸，通過調制解調器將高頻信號從電流中分離出來，傳送給計算機或其他信息家電，以實現(xiàn)信息傳遞。
    利用電力載波通信技術，系統(tǒng)網絡無需另外布線，降低了成本。電力網是覆蓋范圍最大的網絡，只要是接入電力線的電力設備就能進行通信。每個導電插座都是網絡的接入點，數(shù)目多而且比較方便。無需撥號，只要導電就能接入網絡，具有靈活、方便、速率快等優(yōu)點，適合對家庭設備的控制和監(jiān)控。

1 智能家居控制系統(tǒng)方案
    智能家居控制系統(tǒng)控制和監(jiān)視著家庭中各種設備的運行，如空調、微波爐等設備的開關及工作狀態(tài)的調節(jié)。本文綜合智能家居系統(tǒng)的功能和要求，研究了一套基于電力線通信的智能家居控制系統(tǒng)方案，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

    該控制系統(tǒng)主要分上層網絡和底層網絡兩個部分。底層網絡是指家庭內部的電力線網絡，將家中的所有家電、照明設備、各種報警探頭和水表等設備通過電力線終端連接到住宅中的220 V電力線上，繼而通過μC／OS系統(tǒng)控制器，構成基于電力線載波的家庭內部網絡，用以實現(xiàn)家庭各種開關設備、電器設備以及各種儀器儀表的控制。上層網絡是指家庭內部網絡與外部以太網的連接，家庭內部網接入以太網以實現(xiàn)設備數(shù)據的存儲、PC端和手機終端的遠程控制和Android監(jiān)控功能。
    μC／OS控制器是整個系統(tǒng)的控制核心，主要有現(xiàn)場控制和遠程控制兩種方式?，F(xiàn)場控制時，通過人機交互界面，實現(xiàn)設備控制和信息顯示。遠程控制時，通過以太網與遠程PC機服務器建立連接，接收發(fā)來的各種控制和查詢命令，并通過電力線將這些命令傳送到控制節(jié)點，控制相應的設備執(zhí)行動作。μC／OS系統(tǒng)控制器還能夠監(jiān)測各控制節(jié)點的狀態(tài)，家庭中的設備定時向μC／OS系統(tǒng)控制器發(fā)送狀態(tài)信息，如發(fā)現(xiàn)故障或者不正常的操作時，控制器將做一些緊急的處理，如關閉電源等，并發(fā)出故障報警信號給服務器，通過服務器將報警信號轉發(fā)給遠程And roid手機終端。
    家庭內部設備通過控制節(jié)點連接到220 V電力線上?？刂乒?jié)點不但能夠實現(xiàn)對電器設備的本地控制，還能接收μC／OS系統(tǒng)控制器發(fā)來的控制命令，根據編碼地址控制對應地址的設備發(fā)生動作。每個家電、設備、儀表都有自己唯一的地址來標識，從而保證控制的唯一性。各控制節(jié)點對從電力線傳過來的載波信號進行解析和地址判定。若地址與本節(jié)點所連設備相符，則執(zhí)行機構執(zhí)行相應命令，繼電器進行吸合或者釋放動作，實現(xiàn)對目標的開／關控制，同時返回目標的開／關狀態(tài)?？刂乒?jié)點還可以向μC／OS系統(tǒng)控制器上傳所采集設備實時狀態(tài)，如開／關狀態(tài)、電壓、電流等，同時還會定時上傳各種儀表的實時采集信息。
    在μC／OS系統(tǒng)控制器和各控制節(jié)點上都內嵌有電力線載波通信模塊，它們之間通過電力線載波通信模塊進行通信。它們承擔系統(tǒng)的模擬量、脈沖量和開關量采集任務。戶內的溫度控制器、水浸控制器等設備中加裝的模塊進行模擬量采集，控制節(jié)點處的電力線載波通信模塊將輸入的模擬量轉換為電平信號，以0、1數(shù)字量通過單片機寫入數(shù)字幀，再經調制解調芯片轉換為載波信號，通過電力線發(fā)送給μC／OS系統(tǒng)控制器處的電力線載波通信模塊。采用類似原理，將接收的載波信號解調出數(shù)字幀，還原為數(shù)字量發(fā)給μC／OS系統(tǒng)控制器。各種開關設備以及模擬量上傳設備均通過該原理實現(xiàn)。

2 μC／OS系統(tǒng)控制器硬件設計
2．1 系統(tǒng)控制流程
    μC／OS系統(tǒng)控制器和控制節(jié)點內部均有電力線載波通信模塊，兩者通過該模塊進行通信?？刂乒?jié)點處的載波通信模塊把從家庭設備中采集到的開關量、模擬量處理后通過電力線傳輸?shù)娇刂破鞯妮d波通信模塊，經過解調處理后還原為初始信號，再通過串口發(fā)送給μC／OS系統(tǒng)控制器，進行相應的數(shù)據處理。同樣，μC／OS控制器向下發(fā)送控制命令時，先通過控制器上的載波通信模塊進行調制、處理，再經過控制節(jié)點的載波通信模塊進行解調轉換后再發(fā)送給相應的設備，實現(xiàn)控制。
2．2 硬件結構
    μC／OS系統(tǒng)控制器采用ARM7TDMI內核的微控制器，外接電源模塊、電力線載波通信模塊、GPRS無線收發(fā)模塊、LCD模塊、觸摸屏模塊、Flash模塊等，硬件模塊結構示意圖如圖2所示。

2．3 微控制器
    微控制器是系統(tǒng)的主控點，向下通過電力線載波通信模塊與各控制節(jié)點進行通信，實現(xiàn)家庭內部網的本地監(jiān)控；向上通過GPRS無線收發(fā)模塊與局域網相連，進而通過以太網與遠程主機連接起來，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能。微控制器采用Atmel公司的AT91RM40008芯片，一款基于ARM7TDMI內核的32位控制器，工作頻率為66 MHz，其片內集成了256 KB RAM，可以將代碼直接運行在片內RAM上，使得應用程序的設計可以采用任務查詢方式，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。兩個全雙工通用同步／異步收發(fā)器(UART)與外圍控制器PDC連接，整段數(shù)據交給硬件自動收發(fā)處理，比單字節(jié)處理大大減輕系統(tǒng)處理壓力，保證了系統(tǒng)的實時性。電路圖略——編者注。
2．4 LCD模塊
    μC／OS系統(tǒng)控制器界面顯示采用7寸LCD屏幕，800×480像素分辨率，提供了良好的人機交互界面。驅動控制采用SSD1963Q芯片，可以顯示16×16、32×32等漢字和字符。觸摸屏模塊中采用TI公司的ADS7843芯片，它是12位取樣模／數(shù)轉換器，具有功耗低的優(yōu)點，適合用于該核心控制器。電路圖略——編者注。
2．5 電力線載波通信模塊
    電力線載波通信芯片是電力線載波通信系統(tǒng)的核心，在該控制系統(tǒng)中，選用了力合微公司生產的LME2980芯片，該芯片具有抗干擾能力強、靈敏度高等優(yōu)點，集成了看門狗等電路，確保了工業(yè)環(huán)境下的可靠性。電力線載波通信電路設計如圖3所示。

3 μC／OS系統(tǒng)控制器軟件設計
    μC／OS系統(tǒng)控制器的軟件設計可以分為3層：應用層、中間層和驅動層。驅動層是整個軟件控制系統(tǒng)工作的基礎，主要包括LCD驅動、定時器驅動、CPU驅動等；中間層主要實現(xiàn)中間層對底層不同設備的兼容和向上層提供各類應用程序開發(fā)的統(tǒng)一接口，主要包括一些C庫函數(shù)、底層功能函數(shù)以及μC／OS系統(tǒng)調用接口；應用層通過調用中間層提供的接口，完成界面控制、網絡通信、串口通信等功能用以控制智能家居設備?？刂破鞯能浖K層次圖如圖4所示。

3．1 載波通信模塊軟件設計
    載波通信過程中，載波通信控制單元發(fā)送完一位擴頻數(shù)據后，自動產生一次中斷，允許下一位數(shù)據發(fā)送。根據捕獲和同步過程需要，首先發(fā)送至少42位的全“1”數(shù)據，本文中發(fā)送45位全“1”數(shù)據；然后按位發(fā)送同步幀頭0xA5；之后根據用戶的有關通信協(xié)議按位發(fā)送通信地址、數(shù)據長度、數(shù)據體、校驗等字節(jié)。數(shù)據全部發(fā)送完后，載波通信模塊即可轉為接收態(tài)。但為確保待發(fā)送數(shù)據的最后一位發(fā)送成功，必須在發(fā)送完最后一位數(shù)據后的下一次發(fā)送中斷到來后，才可以轉換載波發(fā)送態(tài)到接收態(tài)。載波發(fā)送過程中，CPU必須使計數(shù)器復位，避免自動復位提前進入載波接收態(tài)。
    為了保證命令數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性，將協(xié)議設計如下：設備地址+數(shù)據包+數(shù)據包類型+命令長度+命令設備+設備子命令+命令參數(shù)+校驗和。設備地址為命令上傳或者下發(fā)時從設備的物理地址；數(shù)據包根據數(shù)據的傳輸方向分為請求數(shù)據包和響應數(shù)據包，分別對應于處理器向下發(fā)送命令和子設備回復數(shù)據包；命令長度表示了后續(xù)命令包的長度；命令設備、設備子命令和命令參數(shù)等表示針對不同的子設備，需要發(fā)送的命令格式也不同；校驗和是指所有幀數(shù)據的數(shù)據和。
    接在電力線上的子設備主要分為兩類：一類是需要上傳狀態(tài)信息的設備，主要包括空調、微波爐、冰箱、熱水器和洗衣機等；還有一類就是開關型設備，只需實時查詢即可，無需上傳狀態(tài)信息，如日光燈等開關型設備。
3．2 圖形界面設計
    為了給用戶提供良好地交互操作，在μC／OS系統(tǒng)控制器中還設計實現(xiàn)了人機互操作界面。當系統(tǒng)啟動以后，系統(tǒng)會先進行初始化，并要求用戶輸入正確的賬號和密碼。在正確輸入密碼后，用戶就可以通過控制界面對家庭中子設備發(fā)送查詢、控制等命令了。如果輸入密碼錯誤次數(shù)超過3次，系統(tǒng)將自動上鎖，12小時內用戶將無法通過界面對設備進行控制。界面設計流程如圖5所示。

4 遠程Andriod終端軟件設計
    隨著物聯(lián)網及互聯(lián)網在智能家居中的應用以及智能手機操作系統(tǒng)Android的不斷發(fā)展，結合2G／3G／WiFi網絡通信方式，通過Android系統(tǒng)的手機終端實現(xiàn)遠程控制家庭設備已經成為現(xiàn)實。
4．1 遠程Andriod終端系統(tǒng)設計
    系統(tǒng)主要包含了網絡連接、數(shù)據傳輸、消息包截取、消息包解析、消息包處理、用戶界面6個子模塊。當用戶啟動了該手機終端控制系統(tǒng)之后，首先和網關建立通信連接，為后續(xù)的數(shù)據傳輸?shù)於ɑA。數(shù)據傳輸模塊是作為一個單獨的線程出現(xiàn)的一方面，主要是考慮到網絡數(shù)據傳輸?shù)臅r間不確定性，避免阻塞主UI線程；另一方面，獨立出來是為了將來傳輸協(xié)議更改之后，數(shù)據傳輸不受影響，提高了代碼的重用性。由于接收到的數(shù)據都是字節(jié)流的，因此需要根據消息包的約定方式從數(shù)據中截取正確的消息包，同時根據消息包的類型和消息名調用相應的函數(shù)進行處理。用戶界面模塊則為用戶提供了一個友好操作的平臺。各模塊具體介紹如下。
    網絡連接模塊：系統(tǒng)在啟動后，連接上網絡，然后通過網絡與服務器端的網關模塊建立通信連接，進而傳輸用戶所選擇的查詢或者控制命令。
    數(shù)據傳輸模塊：該系統(tǒng)一方面要發(fā)送各種請求包向服務器請求房間、節(jié)點等狀態(tài)信息，發(fā)送一些控制包去管理各個節(jié)點設備的狀態(tài)，另一方面也要接收從服務器端返回來的各種向用戶顯示的數(shù)據包。
    消息包截取模塊：在接收到從服務器返回的數(shù)據之后，由于數(shù)據是字節(jié)流的，所以要根據約定按照包頭、包長和包尾從中截取出可用的正確消息包。
    消息解析包模塊：在截取消息包之后，根據約定好的包組裝字段對消息包進行解析，從中得到包類型、消息名和附帶的消息數(shù)據，以便后續(xù)模塊進行相應的處理。
    消息包處理模塊：依據解析得到的包類型和消息名，對包中的數(shù)據進行處理，取得所需要的控制節(jié)點的相關狀態(tài)信息。
    用戶界面模塊：提供一個簡單易用的用戶界面，這里主要有以下幾個子界面，首先用戶看到的是軟件的歡迎及啟動界面；第2個是房間選擇界面，根據房間號碼選擇所要進行操作的房間；第3個是控制節(jié)點選擇界面，用戶選定節(jié)點，接著選擇對各種設備是進行控制還是查詢，若是查詢則把從服務器接收到的內容顯示到狀態(tài)顯示界面，如果是控制命令則將控制命令發(fā)送給網關，由網關轉發(fā)給控制器。
4．2 遠程Android終端系統(tǒng)界面
    通過Android系統(tǒng)遠程控制設備時的軟件界面如圖6所示。

結語
    本文立足于電力線載波通信技術，基于μC／OS實時控制系統(tǒng)和Android終端控制系統(tǒng)，研究開發(fā)了基于電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)，介紹了高可靠、高穩(wěn)定、強實時性的良好軟件設計和符合國內發(fā)展現(xiàn)狀的硬件設計，通過電力線載波通信方式為用戶提供安全、舒適、便利、信息暢通的高效居住和生活環(huán)境。經過實際測試，系統(tǒng)滿足運行要求，在進一步測試和優(yōu)化后可投入市場。