基于PLC智能家居系统的研究与设计

林 娴,林学伟

(福建师范大学福清分校,福建 福清 350301)

引言

智能家居诞生于上世纪八十年代,随后进入我国,随着我国经济社会和科技的快速发展,计算机技术、互联网技术、通信技术和控制技术水平的全面提升让人们逐渐认可和接受,物联网概念的进一步普及,让智能家居终端不仅在单个家电中实现智能化与自动化,同时能够实现智能家居系统[1-2]。构建智能家居系统,就是在搭建一个集便利性、舒适性和安全性为一体的家居环境,有助于提升居住品质。采用PLC电力载波通讯技术,可以在家居系统中广布节点,系统由利用传感器、控制系统、通信技术实现家居环境的实时监控,家居系统的统一管理和控制[3]。

本文设计一种以PLC电力线载波通讯技术为核心,完成便捷控制,实现具备智能照明、窗帘和电器自动化控制、设备远程控制、实时监控等功能的智能家居系统。系统由系统服务器、用户终端、智能家庭网关、电力线、家电设备等组成。

1 智能家居系统的功能设计

智能家居系统的设计要遵守系列原则,首先是终端软件必须具备友好的用户界面,操作方法直观简单,清楚展示用户需要的所有信息;其次是硬件设计满足安全和稳定的要求,硬件模块要符合测试要求,设置基本的电路意外保护措施,防止程序进入异常状态;第三是云端服务器要提供稳定的服务器,服务端调用服务要经过加密处理,确保数据安全;最后是系统要具备良好的可扩展性,用户能够自由定制服务,满足个性化需要[4-6]。

1.1 智能家居系统设备控制功能

1)智能窗帘控制。通过遥控设备触发窗帘的控制电机,实现对窗帘的智能化控制,同时要满足窗帘控制的定时操作功能。

2)智能照明系统。智能照明系统就是通过控制面板或者遥控控制的方式对家中灯具进行控制,实现一键开关。

3)智能家电控制。通过触发遥控器与插座之间的连接,实现洗衣机、电冰箱、空调、电视机等家电设备的自动控制。

4)家居环境安全性管理。在智能家居环境中设置煤气传感器、烟雾传感器、湿度传感器、距离传感器等设备,采集空间中的各项监控数据,确保家居环境的安全,避免发生火灾、煤气泄漏、盗窃等安全事件。

按智能家居系统控制功能设计智能家居系统组网方案如图1所示。

图1 智能家居系统组网方案

1.2 其他功能

1)智能家居控制系统的终端设备可以在户外或者户内通过远程、近程控制的方式获取家中设备运行情况，并根据需求进行智能控制。

2)用户可以采用移动终端APP的模式管理智能家居设备,支持设备的个性化图标和名称设置,如果使用其他终端登陆时,只需要切换账号即可同步该用户中的所有智能家居设备数据。

3)采用云终端服务器实现用户下全部设备信息的保存管理,记录用户的运行日志、系统日常运行数据等,为后期维护提供支撑。

4)用户可以根据需要,自由设定定时操作任务,让设备自动完成相应动作。

2 基于PLC的智能家居控制系统硬件设计

为保证智能家居系统的稳定性和实用性要求,选择PLC作为智能家居系统的通讯技术,采用多种功能的传感器搭建分布式变量信息采集系统。采用SMS信息技术和GSM技术相结合模式,保证系统符合网络化和稳定化建设要求。在智能家居系统的设计过程中,要保证系统具有良好的可扩展性和可移植性,能够满足不同用户的个性化定制需求。

2.1 智能家居系统总体设计

我国多数家庭格局都是三室一厅或者两室一厅的构成,在这种家居环境下,智能家居系统的使用要实现家用电器的智能控制,同时保证家居环境的安全性。按照房价格局和位置特点,采用近程红外遥控和远程以太网控制两种控制方式,实现智能家居系统的自动控制。

2.2 系统关键硬件系统的设计

1)智能家庭网关设计：智能网关主要实现网络接入，实现互联网与室内电力线局域网的融合. 主要功能有：与 PC 通信配置相关参数，并保存到存储单元中，这些参数包括网关 ID，智能插座信息以及服务器 IP 和端口号等必要参数；定时采集家庭内所有智能插座及智能开关的信息；定时将采集到的数据通过网络上传到服务器；响应服务器的实时控制和读取命令。

2)电源系统的设计。智能家居系统中,电源稳定性是影响系统安全性和稳定性的关键。在整个系统中,信息发送模块、主控模块、传感器控制模块都需要稳定的直流电压。按照使用要求,设置简单可靠的串联稳压模块,经过降压、整流、滤波、稳压之后获取符合要求的电压。电源电路的作用是将220V的交流电压转变为12V和5V的直流电压。

3)PLC通信模块设计。PLC通信模块是安装在通信设备整机内的,负责与显示面板之间的通信,同时要承担与终端网关之间的通讯。网络交换机芯片主要负责接收INT6400传递的数据,并且将其处理转化,传递给RJ45接口如图2所示。业务处理芯片按照通讯协议解析数据,将其传递给家电面板上的MCU,同时家电传递过来的数据打包传送给INT6400。

图2 通信终端结构示意图

PLC通讯模块不仅整合在智能网关中,同时要整合在家电和传感器主板中,和PLC网络相互连接如图3所示。

图3 PLC通信设备硬件构成

4)AP模块设计。AP模块是基于PLC的智能家居系统,主要组成有WiFi芯片、PLC控制芯片以及外围电路。经过AP模块,能够将WiFi信号转变为电力载波信号,实现载波信号与互联网的沟通交流,让用户可以通过控制智能终端的方式实现控制信号对家居设备的智能控制[7-8]。

随着互联网技术和物联网技术的快速发展,已经有非常丰富多彩的WiFi芯片模组。从该系统的实际需求出发,制定一款稳定、安全、操作简单、具备STA功能的WiFi数据产品。本设计中的WiFi透传模块选择WG1300-UART-S0型的设备,该款产品的功耗和成本较低,其中集成了一键式配置,操作简单,不需要加载外软件配置,便于远程数据传输,实现远程的WiFi转串口。AP模块的主要作用是将数据从电力载波传递到WiFi,其外围电路的设计和通信终端的外围电路一致。

3 硬件驱动软件的设计

3.1 应用层功能

PLC模块软件结构的应用层可以分为七个部分,EUI地址分配和获取;控制端解析下发命令;应用层数据的组帧;将数据发送给NET层或者PHY层;接受下端发送的数据；解析应用层的数据和将数据上报至控制端。

在系统上电之后,应用层首先执行EUI地址分配和获取代码,然后状态跳转到空闲状态,如果控制端请求将数据发送到电力线,那么应用层执行的步骤是解析控制端命令;应用层数据组帧;将数据发送到NET层或者PHY层;等待数据是否成功,如果数据发送成功或者发送超时,则应用层返回空闲状态。

应用层接受电力线传送的数据,首先是查询NET层或者PHY层有数据发送事件;其次是接受数据;在应用层解析数据;上报数据到控制端,应用层跳转到空闲状态。

3.2 通信协议

电力信号传输协议采用的是TCP/IP协议和网络秘钥认证机制,信号在不同智能家居设备之间传输时,要按照相同的通讯协议和秘钥连接即可以实现通讯。

参考通信芯片应用层协议格式,修改形成符合系统功能的协议帧结构:

起始符地址域起始符控制码数据域长度数据域校验码结束符

起始符表示一个信号的开始;地址域是12位的十进制数,地址域和物理层信道无关,每一个设备都有独立的12位通信地址;控制码包括D0-D7,D7表示信号传达方向、D6表示从站的信号应答标志、D5表示后续帧标志,D4-D0表示功能码,00000、11111、00100、00101、00110分别表示的是“保留”、“复位”、“关”、“开”、“查询状态”;数据域长度表示数据域字节数量;数据域包括密码、数据、数据表示、操作者代码等;校验码发挥信息校验作用;结束符是帧信息结束的标志。

3.3 设备接入方式

智能家居系统允许两种不同的设备接入方式:第一种是在设备和终端都留有接口,信号线连接时新设备自动的发送注册的指令,终端接收到指令之后自动给新设备发送协议、MAC地址和网络秘钥,完成新设备自动组网。第二种模式是在新设备上设置按键,发送一个脉冲的信息注册消息,在新设备上按注册键,新设备自动通过电力线发送注册信息,终端服务设备回传注册的确认信息,如果双方的注册信息一致,则自动组网完成。

4 结语

本文设计了一种基于PLC电力载波通讯技术的智能家居系统,利用不同的传感器对智能家居系统中的变量进行检测收集,在数据异常时发送报警数据,PLC主控制器收到这些信号之后完成系统控制操作。讨论智能家居系统的主要硬件模块和软件部分的设计,形成符合智能化、稳定性和安全性的智能家居管理系统,具有良好的理论以和实践价值。