基于电力线载波技术的智能家居系统研究*

路 勇，王毅峰

基于电力线载波技术的智能家居系统研究*

路 勇，王毅峰

（深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055）

将电力线载波技术（PLC）应用于智能家居，设计出一种更加便利的智能家居系统．该系统既具有目前常见的智能家居系统的功能，又能够解决目前智能家居系统应用中从中央控制器到家用电器控制器信号传输过程中有线通信形式布线繁琐、无线通信方式信号衰减严重的问题．系统采用的智能家居控制终端可以不受家庭内部电线具体连接途径的限制，不受房屋建筑结构阻挡的影响，只要有普通电力线的地方，就可以安装智能家居控制终端，实现“即插即用”，促进智能家居系统更加便利地走入千家万户．

电力线载波；智能家居；STM32；ES1642

随着物联网技术的快速发展，智能家居已经成为物联网时代的一个引人关注的技术热点，许多大公司都推出了自己的智能家居系统[1，2]．与在技术上受到普遍关注形成对比的是，智能家居目前的实际应用并没有取得预期的效果[3]．除了人们对新事物的接受需要过程的因素外，现有通信方式存在的缺陷也是一个不可忽略的因素[4]．

目前智能家居系统的中央控制器和每个家用电器之间的数据通信主要采用有线通信形式、无线通信形式和红外遥控3种形式[5]．有线通信形式可靠性较高但是布线比较麻烦，需要把通信电缆连接到每一个用电器，布线工程量较大．无线通信模式不用另外布线，便于安装，但是由于墙壁的阻挡，信号衰减比较严重，尤其是面积比较大的复式住宅或跃式住宅，墙壁多、距离远，很多地方无线信号很弱，甚至不能到达．红外遥控方式只能把中央控制器装在红外线可以直接照射到家用电器的地方，多个房间必须安装多个红外发射装置．

而电力线载波技术克服了上述3种技术的不足．电力线载波通信（Power Line Communication，PLC），利用普通电力线为通信载体，在发送端将需要传送的信息调制成高频信号，通过发送端的适配器将该高频信号加载到电力线，接收端的适配器把收到的高频信号解调出有效的信息，并传送给与之相连的CPU进行处理．电力线载波通信具有：线路覆盖面广，无需另外布线；可根据需要自由组网；传输信号不会受到障碍物的影响而产生衰减．本研究将电力线载波通信技术和智能家居技术相结合，设计出一种更加便利的智能家居系统．

1 系统整体结构和功能

智能家居系统整体结构如图1所示．

智能家居主控单元通过路由器接收网络信号，并向网络云端发送家电状态信息；主控单元和家电控制单元通过电力线交换信息，包括收集家电状况并向家电发送指令．智能家居终端控制单元，包括开关单元、空调控制单元、灯光控制单元、语音控制单元、窗帘控制单元等，接收主控单元发出的指令，控制家用电器进行相应的操作，同时可以把家电的状态信息实时上传到主控单元．

图1 系统整体结构图

2 硬件系统

2.1 控制单元的内部硬件结构

智能家居主控单元内部结构如图2（a）所示，一端通过电力线载波模块连到电力线，接收智能家居控制单元上传的状态信息和参数信息，同时可以下发控制指令．另一端通过路由器连到互联网云端．既可以把家电状态信息和参数信息上传到云端，也可以通过路由器接收云端下发的各种控制指令．来自云端的控制指令既可以来自WEB应用软件，也可以是来自手机APP应用软件．

智能家居终端控制单元如图2（b）所示，既可以通过电力线载波模块接收来自智能家居主控单元的指令信号并执行该指令，如开关门、调节空调温度等；也可以采集并上传家电的状态信息（如门的开关状态、灯的开关状态等）和参数信息（如空调采集到的室内温度、湿度等）到智能家居主控单元．

2.2 系统的控制芯片STM32F103RCT6

系统主控单元和终端控制单元都采用STM32F103RCT6单片机作为主控芯片，STM32系列是意法半导体（STMicroelectronics）集团的高性能、低成本、低功耗系列嵌入式单片机．内核是ARM的32位Cortex-M3CPU，片上集成256KB的Flash存储器，具有强大的功能和丰富的内部资源，适合多任务控制、可以接收和处理数字量信号和视频信号，便于和互联网相连，实现智能家居系统各单元之间的通信和对家用电器的控制．

2.3 系统的通信模块ES1642-C

本系统的通信模块采用小型化、低功耗的PLC数据调制解调模块ES1642-C．ES1642-C载波模块核心芯片采用东软载波科技股份有限公司电力线载波通信芯片SSC1642，芯片内部集成了32位处理器，采用DBPSK数字调制解调方式传输，载波中心频率1.66 MHz，通信速率2.5~5 kbps，串口波特率9 600 bps，具有灵敏度高、通信可靠、抗干扰能力强、通信距离远等特点[6]．ES1642-C载波模块原理框图如图3所示[6]，SSC1642通过串口与单片机相连，接收单片机发来的信号，并将信号加载到高频信号上，然后把载有信息的高频信号放大后通过耦合电路加载到与模块相连的电源线上，发送到其他相连的PLC模块．

同时，SSC1642也可以通过电力线，经过耦合电路，接收其他电力线载波模块发来的通信信号，经过信号滤波在SSC1642芯片进行解码，变为有效的数字信号，然后把信号通过串口发送到与之相连的单片机串口，从而通过电力线实现了完整的通信过程[7]．

图2 控制单元内部结构图

图3 ES1642-C载波模块连接图[6]

3 软件系统

智能家居系统的各终端控制单元要完成不同的任务，例如空调控制单元主要是采集温度湿度，并接收主控单元的指令，通过对制冷压缩机和风扇的控制实现对温湿度的调节功能；智能灯光控制单元要采集外界光线的强度，并接收主控单元的指令，实现对灯光亮度的控制．

主控单元需要考虑各终端控制单元传来的参数和状态，并接收云端发来的指令，实现对整个智能家居系统的控制．因此，每个控制单元的CPU都要单独编程．主控单元的程序框图如图4所示．

主控单元主要实现信息的上传和下达，不断地和云端进行数据交换，监测云端有没有下发新的指令，如果接收到新的指令，就要及时下发给各终端控制单元执行相应的动作．例如开灯关灯、打开和关闭空调、调节空调温度等等．

主控单元还要不断接收终端控制单元上报的数据，例如巡检灯的开关状态、空调的温度、湿度等电器的状态．如果有异常情况，例如室内温度异常超限情况和烟感传感器异常情况等等．接收到异常情况后下发紧急处理指令，并上传到云端，及时通知房主进行相应的处理．

图4 主控单元程序框图

图5 终端控制单元程序框图

终端控制单元的功能各不相同，但是信息通信过程比较相似．终端控制单元的程序框图如图5所示．

终端控制单元要不断地和智能家居主控单元进行数据交换，监测主控单元有没有下发新的指令，及时让家电执行相应的动作．

终端控制单元还要不断巡检和上报家电的状态和参数，发现异常情况后及时上传到主控单元，实现及时报警．

4 系统测试结果及分析

4.1 各模块功能对比与选型

由于用于电力线载波应用的模组种类较多，研究过程中，用ES1642-NC、ES1667-C、ES1667-NC电力线载波通信模块和埃施朗华公司型号为EHSSGW的模块进行了对比试验．ES1642系列与ES1667系列的载波调制方式不同，通信速率和通信距离有所不同．C系列和NC系列不同之处在于C系列内置了耦合电路，可以直接连接电力线，NC系列没有内置耦合电路，需要外接耦合电路才能与电力线相连．埃施朗华公司的EHSSGW模块通信延迟时间较长．考虑到本系统对实时性有一定的要求，并且C系列模块内置了耦合电路，可以简化电路，因此选用ES1642-C模块作为本系统的电力线载波通信模块．

4.2 电力线载波模块测试

选择了2种典型的终端控制单元进行测试，一种是开关量控制单元，可以模拟门、窗、窗帘、灯具的开关状态控制；另一种是进行参数控制的控制单元，适合进行空调温湿度控制、热水器温度控制、灯光亮度控制等．

主控单元需要设置多种家电的控制策略，同时完成信息的上传下达．

在使用过程中发现，电力线载波模块有些性能指标在标称值中没有体现．例如通信信号的延迟时间，主控单元CPU（STM32）通过串行口向电力线载波模块发出信息后，虽然载波模块的CPU（SSC1642）马上就收到了，但是编码和载波需要时间，这个延迟时间各个模块都不相同．在实际测试中埃施朗华公司型号为EHSSGW的模块延时时间月2 s．ES1642-C模块速度较快，延迟时间100 ms左右，可以满足本系统的需要．

4.3 通信测试

实测过程中发现，电力线载波模块对通信频率的要求比较严格．比如通信的波特率要求9 600 bps，51系列单片机使用12MHZ晶振，只能产生接近9 600 bps波特率，与9 600 bps稍有偏差，结果通信始终不成功．后来改为11.0592MHZ晶振，通信恢复正常．

4.4 系统测试

主控单元和终端控制单元都是通过电力线实现通信，整个系统通信方式属于总线结构，所有总线上的信号每个单元都可以接收到，因此采用主从式多机通信模式，每一个控制单元设定一个唯一的地址，保证每个控制单元只对特定的信息做出正确的响应．

信息格式为“起始位+地址帧+数据帧+校验码+结束位”．主机和从机只有在收到起始位并且收到与自己对应的地址时才接收后面的数据，对收到的数据解析并做出响应．同时采用校验应答机制，如果出现校验错误，数据需重新发送．经过实际测试，家电的状态信息和参数信息在主从机之间可以正常传递，实现了信息交换的目标．主控单元和各终端控制单元实现了“即插即用”，完全不用考虑通信电缆的分布问题，在家庭中的任何一个房间，只要终端控制单元接上电力线，主机和从机之间就可以实现数据实时的交换，不受墙壁和距离的影响．

将电力线载波技术（PLC）和智能家居技术结合，可以解决在家庭环境下智能家居通信技术“最后一公里”的问题，大大提高智能家居进入普通家庭的便利性和可靠性，进而促进智能家居的快速推广．

[1] 郭春梅，鲁械．基于多种无线协议集成的智能家居系统设计与实现[J]．计算机工程与应用，2015，51（Ｓ1）：190-194．

[2] 罗洪，杨杰．物联网环境下的智能家居安全探讨[J]．信息与电脑，2015（21）：76-78．

[3] 林娴，林学伟．基于PLC智能家居系统的研究与设计[J]．太原学院学报，2018（9）55-57．

[4] 蔡文洋，曾文正，江沛荣，等．基于MI201E 电力线载波通信的智能家居控制系统[J]．现代电子技术，2014（3）：42-46．

[5] 刘其良．基于电力线通信的智能家庭网络系统设计[J]．华北电力技术，2014（12）：60-63．

[6] 傅涛，林友．ES1642-C载波模块规格书[R]．青岛东软载波科技股份有限公司，2017（12）：3-6．

[7] 李玉平，罗友，秦会斌，等．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（6）：487-492．

Smart Home System Based on Power Line Communication Technology

LU Yong, WANG Yifeng

（）

The paper introduces the application of Power Line Communication technology (PLC) in smart homes, in the hope of designing a more convenient smart home system. This new system not only has the common function, but also can successfully solve the problem of the communication mode in present smart home system. The PLC can avoid both the inconvenience of wired communication mode, and the signal attenuation in wireless communication mode. The PLC control terminal used in this system is neither limited by the connection way of the cable, nor affected by the building structure. As long as there is a common power line, smart home control terminals can be easily connected, making itself a handy domestic appliance for millions of households.

power line communication; smart home; STM32; ES1642

2020-05-15

深圳职业技术学院2018年校级重点资助项目“基于电力线载波技术的智能家居系统研究”（601822K19010）

路勇，男，河南人，硕士，副教授，主要研究方向为物联网技术、工业电气自动化．

TM925

A

1672-0318（2020）05-0019-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.05.004