基于電力載波通信的家電控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要： 設計并實現(xiàn)了一種利用電力載波通信的家用電器智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM Cortex-M0為主控制器，集成了電力線載波芯片BWP08、傳感器、紅外學習與發(fā)送電路以及基本外圍接口等電路，實現(xiàn)了家用電器的集中化和自動化控制。該系統(tǒng)通過PC或者智能終端發(fā)出控制命令，經載波芯片和調制電路耦合傳送到各個接收終端，由微控制器進行命令解析與執(zhí)行，實現(xiàn)家電的集中控制，微控制器亦可根據(jù)傳感器上傳的數(shù)值對家電進行自動化控制。實驗結果表明，該系統(tǒng)方便、穩(wěn)定、可靠。
關鍵詞： 電力載波通信；Cortex-M0；傳感器；紅外學習；智能家居

　電力載波通信PLC（Power Line Communication）是電力系統(tǒng)特有的通信方式。它是利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g。由于其自身的一些局限性，如配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用；不同的信號耦合方式對電力載波信號損失不同；電力線上的固有的脈沖干擾對信號的高度削減，因此，PLC的生存空間不斷地被其他接入方式壓縮，但在遠程抄表上還是有著廣泛的應用。隨著數(shù)字家庭和智能樓宇的廣泛應用，PLC技術重新得到了重視，它不需要重新架設網(wǎng)絡就可以進行數(shù)據(jù)傳送，并且在一個家庭或一個樓宇范圍內充分屏蔽PLC的局限性，因此，PLC在智能家居系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。本文利用PLC設計了一個基于ARM Cortex-M0的家電集中化與自動化控制系統(tǒng)，使用戶可以通過PC或定制的智能終端對家用電器進行監(jiān)視與控制。
1 系統(tǒng)結構
　家用電器的智能控制系統(tǒng)由檢測模塊（亮度傳感器、溫濕度傳感器等）、微控制模塊、電力載波模塊、紅外學習與控制模塊以及上位機軟件組成，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

　用戶通過智能家居終端（PC或定制終端）下發(fā)控制命令，命令通過電力載波芯片BWP08以及耦合電路耦合到電力線上進行傳輸，接收端（由BWP08及耦合電路組成）接收到電力線上的高頻信號后將數(shù)據(jù)解調并發(fā)送至微控制器（MCU），微控制器經數(shù)據(jù)驗證后，對命令進行解析，通過紅外或是其他控制方式對家用電器進行控制，實現(xiàn)了對家電的集中控制。同時，微控制器可接收亮度傳感器和溫濕度傳感器的檢測數(shù)值（光強度、溫濕度），根據(jù)光強度與用戶設定的閾值進行比較進行百葉窗的自動調節(jié)及燈光控制，根據(jù)溫、濕度與閾值的比較進行空調或供暖系統(tǒng)的自動控制，從而制造了一個自適應的舒適環(huán)境，實現(xiàn)了家用電器的自動控制?？刂频拈撝悼赏ㄟ^命令寫入微控制器，微控制器也可以把傳感器采集數(shù)據(jù)及命令操作后的結果傳輸至上位機數(shù)據(jù)庫，供用戶查詢與設定自動控制條件。
2 硬件電路設計
2.1 微控制器模塊
　微控制器是整個系統(tǒng)中最重要的模塊，需進行數(shù)據(jù)的實時采集、家電狀態(tài)監(jiān)控、紅外遙控器功能學習，家電控制等任務。微控制器選用NuMicro M051系列中的M0516LAN（以下簡稱M0），它是基于ARM Cortex-M0內核的32 bit微控制器，提供多種通信接口，包括多組GPIO、UART、SPI、I2C，可直接與各類外接設備通信，內建8 KB Flash存儲器，4 KB非易失性數(shù)據(jù)存儲區(qū)，可用于存儲各類紅外遙控器編碼。微控制器模塊除了電源模塊、時鐘電路、復位電路、調試接口等基本電路，還包括與檢測模塊接口電路、燈具控制電路、紅外學習與發(fā)送電路以及與載波芯片的連接電路，M0的電源模塊、時鐘電路等基本外圍電路如圖2所示。電源采用5 V電源輸入，經AMS1117-3.3轉為穩(wěn)定3.3 V數(shù)字電壓輸出供芯片工作，并經電感濾除高頻干擾可得模擬電壓3.3 V；時鐘電路采用12 MHz晶振電路；復位電路使用按鍵復位降低成本。

2.2 檢測模塊接口電路
　溫度傳感器采用DHT11，它是一款集溫度、濕度為一體的數(shù)字傳感器，包括一個電阻式測濕元件和一個 NTC測溫元件，可以實時采集本地環(huán)境的濕度和溫度，提供單總線方式與控制器通信，設計中使用M0的I/O口與之通信，傳輸距離可達20 m。為了準確全面獲取室內空間的溫濕度，可連接多個DHT11。
　光強傳感器使用ROHM公司的16 bit串行輸出型環(huán)境光亮度傳感器BH1710FVC，擁有優(yōu)異的分光感度特性，無論是暗處還是在陽光直射下都近似于人類視覺感應，能夠進行大范圍的亮度測定，提供I2C接口。而M0擁有數(shù)據(jù)傳輸率高達1 Mb/s的I2C總線，通過限流電阻R4、R5與上拉電阻R1、R2分別與BH1710FVC的SCL、SDA相連，時鐘信號由主機M0提供，利用主從通信方式進行測量命令的寫入與測量結果的讀出。傳感器與M0硬件連接圖如圖3所示。