智能家用电器控制系统设计

孔林婷

摘 要随着生活水平的提高，人们寻求便捷、智能的生活方式，“智能家居”随之兴起。本文设计了一种基于电力线载波通信的家用电器控制系统，并对其组成及工作过程、载波通讯协议、系统测试等方面分别进行了论述。该系统通过主控单元发出命令，经主芯片电路、发送接收电路耦合传送到各个从控单元以控制或查询家用电器运行状态，实现家电的集中控制，便于管理，且具有不需另铺专用通信线路，节省成本等优点。经过实验测试表明该系统方案合理，可长期稳定运行。

【关键词】电力线载波 通信 控制系统 智能家居 载波通讯协议

目前應用于智能家居的通信方式主要包括无线通信和有线通信，它们为智能家居系统的构建提供了通信保障。无线通信方式包括ZigBee和WiMAX等，有线通信方式包括RS-485和电力线载波通信等。电力线载波通信是利用已有的电力架空明线或地埋电缆通过配电载波设备来传递语音和数据的，其优点是：

（1）利用现有的配电线路传输，成本低；

（2）其安全性为电力部门所控制，便于管理。

其缺点是：数据传输速率较低，容易受到干扰、非线性失真和信道间交叉调制的影响。家庭环境中对数据精度及传输速率要求不高，主要考虑造价问题，电力线载波通信方式优势明显，符合设计要求。

1 系统组成及工作过程

1.1 系统组成

如图1所示。设置一个主控单元用以控制从控单元，设置多个从控单元分别控制各个家用电器。主控单元与从控单元都包含主芯片电路、发送接收电路、电源电路，主控单元设置了数码管用来显示四位从机地址；设置5个按键，其功能分别为：从机选址（按键1、2、3）、发送或查询（按键4）、开通或关断（按键5）；设置两个LED，LEDA的亮或灭表示主机命令分别为发送或查询，LEDB的亮或灭表示发送的控制命令或查询到的家用电器运行状态为开通或关断。从控单元还设置了电子交流开关，分别接不同类型的负载。

1.2 工作过程

在一个用户系统内，一个主控单元控制多个从控单元，其中主控单元由人控制，负责发送命令，实现对家用电器的远程智能监控。主控单元发送的数字信号通过载波芯片内部电路进行调制、扩频，经过发送电路进行功率放大、滤波并耦合到电力线上。从控单元将信号耦合出来并对其进行滤波及限幅后输入载波芯片，在其内部进行解调、解扩，使接收到的信号还原成原始的数字信号，从而完成数据传输。从控单元安装在家用电器进线处，由主控单元控制，并且实现对电器的控制与查询，同时将查询到的家用电器运行状态返回给主控单元。

该系统对每个家用电器赋予不同地址码，当要开启某个电器时，先在主控单元上通过按键选中地址，随后主控单元通过电力线将命令传输给从控单元，从控单元接收到命令后对连接在其上的家用电器进行相应的控制或状态查询。根据载波通讯协议帧格式中所设置的不同地址码，通过选中不同地址可对家用电器实现单个控制、分组控制或整体控制。当进行整体控制时，主控单元通过广播方式发送命令给所有从控单元，每个从控单元都进行相应动作。

2 载波通讯协议

主控单元与从控单元之间依靠一定的载波通讯协议可以有效通信。本文定义的协议帧格式如表1所示。

3 系统测试

系统测试时采用一个主控单元和地址不同的三个从控单元，从控单元的电子交流开关分别接不同功率、不同负载类型的家用电器以测试在不同情况下本文所设计的系统能否正常工作并且达到预期目标。

实验时，先在主控单元上通过按键1、2、3进行选址，再通过按键4选择发送命令或查询命令。若是发送命令，还需通过按键5选择发送开通还是关断命令；若是查询命令，则主控单元上LEDB的亮或灭即代表查询到的家用电器运行状态，以上操作可以实现载波通讯、显示、控制、查询功能。经过多次试验，该系统从控单元连接的不同负载类型家用电器均能正确响应主控单元的命令并准确返回其运行状态，且整个系统可长时间稳定运行。

4 总结

本文分析设计了一种基于电力线载波通信的家用电器控制系统。该系统具有便于管理，不需另铺专用通信线路，节省成本等优点。实验通过对不同从控单元的有效控制与准确状态查询，验证了本系统方案的可行性。

本系统是基于智能家居背景设计的，事实上电力线载波通信在电网自动抄表系统中应用非常广泛，本系统的设计为其提供了思路。智能家居未来的发展需要相关行业在标准的制定和体系的建设上开展更多的工作，从而有利于整个行业的发展，避免重复投入，产生良好的经济效益和社会效益。

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作者单位

西安工程大学电子信息学院 陕西省西安市 710048