摘要：結(jié)合電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展狀況，提出了基于電力線載波通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案；詳細地闡述了該系統(tǒng)的總體框架設(shè)計、遠程終端系統(tǒng)軟件設(shè)計以及嵌入式μC／OS系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)的實驗檢測結(jié)果表明，該方案能夠靈活、快捷地實現(xiàn)對家居設(shè)備的控制，而且成本較低。
　　
　　關(guān)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(shù)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(diào)制解調(diào)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(shù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無需另外布線，降低了成本。電力網(wǎng)是覆蓋范圍zui大的網(wǎng)絡(luò)，只要是接入電力線的電力設(shè)備就能進行通信。每個導(dǎo)電插座都是網(wǎng)絡(luò)的接入點，數(shù)目多而且比較方便。無需撥號，只要導(dǎo)電就能接入網(wǎng)絡(luò)，具有靈活、方便、速率快等優(yōu)點，適合對家庭設(shè)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(shè)備的運行，如空調(diào)、微波爐等設(shè)備的開關(guān)及工作狀態(tài)的調(diào)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(jié)構(gòu)如圖1所示。　　
　　該控制系統(tǒng)主要分上層網(wǎng)絡(luò)和底層網(wǎng)絡(luò)兩個部分。底層網(wǎng)絡(luò)是指家庭內(nèi)部的電力線網(wǎng)絡(luò)，將家中的所有家電、照明設(shè)備、各種報警探頭和水表等設(shè)備通過電力線終端連接到住宅中的220V電力線上，繼而通過μC／OS系統(tǒng)控制器，構(gòu)成基于電力線載波的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，用以實現(xiàn)家庭各種開關(guān)設(shè)備、電器設(shè)備以及各種儀器儀表的控制。上層網(wǎng)絡(luò)是指家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部以太網(wǎng)的連接，家庭內(nèi)部網(wǎng)接入以太網(wǎng)以實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)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。現(xiàn)場控制時，通過人機交互界面，實現(xiàn)設(shè)備控制和信息顯示。遠程控制時，通過以太網(wǎng)與遠程PC機服務(wù)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(yīng)的設(shè)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(shè)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(guān)閉電源等，并發(fā)出故障報警信號給服務(wù)器，通過服務(wù)器將報警信號轉(zhuǎn)發(fā)給遠程Android手機終端。
　　
　　家庭內(nèi)部設(shè)備通過控制節(jié)點連接到220V電力線上。控制節(jié)點不但能夠?qū)崿F(xiàn)對電器設(shè)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(jù)編碼地址控制對應(yīng)地址的設(shè)備發(fā)生動作。每個家電、設(shè)備、儀表都有自己*的地址來標識，從而保證控制的*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(shè)備相符，則執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)命令，繼電器進行吸合或者釋放動作，實現(xiàn)對目標的開／關(guān)控制，同時返回目標的開／關(guān)狀態(tài)。控制節(jié)點還可以向μC／OS系統(tǒng)控制器上傳所采集設(shè)備實時狀態(tài)，如開／關(guān)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(nèi)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(guān)量采集任務(wù)。戶內(nèi)的溫度控制器、水浸控制器等設(shè)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(zhuǎn)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(jīng)調(diào)制解調(diào)芯片轉(zhuǎn)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(diào)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(guān)設(shè)備以及模擬量上傳設(shè)備均通過該原理實現(xiàn)。
　　
　　2、μC／OS系統(tǒng)控制器硬件設(shè)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(nèi)部均有電力線載波通信模塊，兩者通過該模塊進行通信。控制節(jié)點處的載波通信模塊把從家庭設(shè)備中采集到的開關(guān)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(jīng)過解調(diào)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(yīng)的數(shù)據(jù)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(diào)制、處理，再經(jīng)過控制節(jié)點的載波通信模塊進行解調(diào)轉(zhuǎn)換后再發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備，實現(xiàn)控制。
　　
　　2．2硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　μC／OS系統(tǒng)控制器采用ARM7TDMI內(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)部網(wǎng)的本地監(jiān)控；向上通過GPRS無線收發(fā)模塊與局域網(wǎng)相連，進而通過以太網(wǎng)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(nèi)核的32位控制器，工作頻率為66MHz，其片內(nèi)集成了256KBRAM，可以將代碼直接運行在片內(nèi)RAM上，使得應(yīng)用程序的設(shè)計可以采用任務(wù)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(jù)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。
　　
　　2．4LCD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(qū)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(zhuǎn)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(chǎn)的LME2980芯片，該芯片具有抗*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(shè)計如圖3所示。　　
　　3、μC／OS系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計
　　
　　μC／OS系統(tǒng)控制器的軟件設(shè)計可以分為3層：應(yīng)用層、中間層和驅(qū)動層。驅(qū)動層是整個軟件控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，主要包括LCD驅(qū)動、定時器驅(qū)動、CPU驅(qū)動等；中間層主要實現(xiàn)中間層對底層不同設(shè)備的兼容和向上層提供各類應(yīng)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(diào)用接口；應(yīng)用層通過調(diào)用中間層提供的接口，完成界面控制、網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信等功能用以控制智能家居設(shè)備。控制器的軟件模塊層次圖如圖4所示。　　
　　3．1載波通信模塊軟件設(shè)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(jù)后，自動產(chǎn)生一次中斷，允許下一位數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)捕獲和同步過程需要，首先發(fā)送至少42位的全“1”數(shù)據(jù)，本文中發(fā)送45位全“1”數(shù)據(jù)；然后按位發(fā)送同步幀頭0xA5；之后根據(jù)用戶的有關(guān)通信協(xié)議按位發(fā)送通信地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)體、校驗等字節(jié)。數(shù)據(jù)全部發(fā)送完后，載波通信模塊即可轉(zhuǎn)為接收態(tài)。但為確保待發(fā)送數(shù)據(jù)的zui后一位發(fā)送成功，必須在發(fā)送完zui后一位數(shù)據(jù)后的下一次發(fā)送中斷到來后，才可以轉(zhuǎn)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(fù)位，避免自動復(fù)位提前進入載波接收態(tài)。
　　
　　為了保證命令數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，將協(xié)議設(shè)計如下：設(shè)備地址+數(shù)據(jù)包+數(shù)據(jù)包類型+命令長度+命令設(shè)備+設(shè)備子命令+命令參數(shù)+校驗和。設(shè)備地址為命令上傳或者下發(fā)時從設(shè)備的物理地址；數(shù)據(jù)包根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸方向分為請求數(shù)據(jù)包和響應(yīng)數(shù)據(jù)包，分別對應(yīng)于處理器向下發(fā)送命令和子設(shè)備回復(fù)數(shù)據(jù)包；命令長度表示了后續(xù)命令包的長度；命令設(shè)備、設(shè)備子命令和命令參數(shù)等表示針對不同的子設(shè)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(jù)的數(shù)據(jù)和。
　　
　　接在電力線上的子設(shè)備主要分為兩類：一類是需要上傳狀態(tài)信息的設(shè)備，主要包括空調(diào)、微波爐、冰箱、熱水器和洗衣機等；還有一類就是開關(guān)型設(shè)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(guān)型設(shè)備。
　　
　　3．2圖形界面設(shè)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(shè)計實現(xiàn)了人機互操作界面。當系統(tǒng)啟動以后，系統(tǒng)會*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(shè)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(nèi)用戶將無法通過界面對設(shè)備進行控制。界面設(shè)計流程如圖5所示。　　
　　4、遠程Andriod終端軟件設(shè)計
　　
　　隨著物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用以及智能手機操作系統(tǒng)Android的不斷發(fā)展，結(jié)合2G／3G／WiFi網(wǎng)絡(luò)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(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)實。
　　
　　4．1遠程Andriod終端系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　系統(tǒng)主要包含了網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)建立通信連接，為后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(jù)傳輸不受影響，提高了代碼的重用性。由于接收到的數(shù)據(jù)都是字節(jié)流的，因此需要根據(jù)消息包的約定方式從數(shù)據(jù)中截取正確的消息包，同時根據(jù)消息包的類型和消息名調(diào)用相應(yīng)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(wǎng)絡(luò)連接模塊：系統(tǒng)在啟動后，連接上網(wǎng)絡(luò)，然后通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端的網(wǎng)關(guān)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(jù)傳輸模塊：該系統(tǒng)一方面要發(fā)送各種請求包向服務(wù)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(shè)備的狀態(tài)，另一方面也要接收從服務(wù)器端返回來的各種向用戶顯示的數(shù)據(jù)包。
　　
　　消息包截取模塊：在接收到從服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)之后，由于數(shù)據(jù)是字節(jié)流的，所以要根據(jù)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(jù)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(jù)，以便后續(xù)模塊進行相應(yīng)的處理。
　　
　　消息包處理模塊：依據(jù)解析得到的包類型和消息名，對包中的數(shù)據(jù)進行處理，取得所需要的控制節(jié)點的相關(guān)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(jù)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(shè)備是進行控制還是查詢，若是查詢則把從服務(wù)器接收到的內(nèi)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(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)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(shè)備時的軟件界面如圖6所示。　　
　　5、結(jié)語
　　
　　本文立足于電力線載波通信技術(shù)，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(shè)計和符合國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀的硬件設(shè)計，通過電力線載波通信方式為用戶提供安全、舒適、便利、信息暢通的居住和生活環(huán)境。經(jīng)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。