完整版基于电力线通信技术的智能家居解决方案毕业设计.docx
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完整版基于电力线通信技术的智能家居解决方案毕业设计
本科生毕业论文（设计）
题 目
基于电力线通信技术的智能家居解决方案
姓 名
院 系
工学院
专 业
自动化
指导教师
王庆兰职称讲师
2015年5月28日
曲阜师范大学教务处制
基于电力线通信技术的智能家居解决方案
自动化专业学生徐吉栋
指导教师王庆兰
摘要：
随着智能化向家电业的渗透、信息化的高度发展，家居智能化的需求大为增加，并最终促成了智能家居的诞生和不断完善，给基于电力线通信的智能家居系统带来了新的活力。
采用电力线来充当智能家居系统中数据信号传输媒介,依靠家庭网关网络对其进行管理和控制，能够便捷的实现对家用电器和相关设备的监控和管理。
同时通过对数字家庭网络通信模块的设计，使家用电器具有通信功能，实现家用电器与家庭网关和家用电器之间能够通信。
最后论文依靠电力线通信技术，提出了一套完整的智能家居解决方案。
关键词：
电力线载波通信智能家居系统电力线高速数据通信
家庭网关网络智能控制数据终端
Intelligent HomeFurnishing BasedOnPowerLineCommunicationTechnology Scheme
StudentmajoringinAutomationXuJidong
TutorWangQinglan
Abstract:
Withtheintelligenttotheheightofthedevelopmentofthepenetrationofthehomeapplianceindustry,informationtechnology,intelligenthomedemandgreatlyincreased,andultimatelycontributedtothebirthofthesmarthomeandcontinuetoimprove,tosmarthomesystembasedonpowerlinecommunicationhasbroughtnewvitality. Thepowerlinetoactasasmarthomesystemindatasignaltransmissionmedium,relyonthemanagementandcontrolofnetworkhomegateway,canachieveconvenientforhouseholdappliancesandequipmentformonitoringandmanagement. Atthesametime,throughdesignofdigitalhomenetworkcommunicationmodule,thehouseholdelectricalappliancehasthefunctionofcommunication,implementationofhouseholdappliancesandhomegatewayandhomeappliancescancommunicate. Finally,dependingonthepowerline communicationtechnology, putsforwardacompletesetofintelligenthome solutions.
Keywords:
PowerLineCarrierHigh-speedPowerLineCommunication
SystemofSmartHomeHomeGateway
IntelligentControlNetworkDataTerminal（ICDT）
1绪论
1.1智能家居系统介绍
智能家居是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、医疗电子技术依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健、卫生防疫、安防保安等有机地结合在一起（如图1.1），通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。
图1.1智能家居控制系统
与普通家居相比，智能家居系统不仅具有传统的居住功能，提供舒适、安全、高品位且宜人的家庭生活空间，而且还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效地安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。
对家电自动化（HomeAutomation）、信息家电（3C:
Computer、Communication、ConsumerElectronics）、家庭网络（HomeNetworking）以及网络家电（NetworkAppliances）系统的研发极大地推动了智能家居技术的发展。
“家庭自动化”是指利用微处理器技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如计算机、照明系统、厨房设备、保安系统、暖气及冷气系统、通信系统、视频及音响系统等。
一方面，系统会自动参考来自各个传感器中的信号做出相应的一系列操作；另一方面用户可以通过键盘、触摸屏、计算机、手持遥控器等人机接口来控制家中的电子电器产品。
“信息家电”是将网络技术和通信技术应用于传统家电（包括白色家电：
电冰箱、洗衣机、微波炉等；黑色家电：
电视机、录像机、音响、VCD、DVD等）而新创的产品，是为数字化与网络技术更加广泛地深入家庭生活而设计的新型家用电器，也即所有能够通过网络交互信息的家电产品。
“家庭网络”则是随着信息家电的出现和Internet应用的普及而发展起来的，是在家中连接电脑、通讯设备及智能家电，集信息、娱乐、通信、计算等多种功能为一体的网络。
它最初起源于家庭设备的控制网络，但是由于大量的实时的与多媒体有关的新业务的出现，使其对带宽的要求越来越高。
因此，出现了融合控制网络和多媒体信息网络于一体的“家庭总线”。
“网络家电”是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品。
网络家电可以互联组成一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部互联网通信。
其主要功能是:
远程控制和查询，网上购物，家电网上升级，集中控制与管理，故障信息自诊断、自反馈并可以享受远程维护等。
1.2电力线通信技术介绍
电力线通信技术（PowerLineCommunication）简称PLC，是利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。
该技术是把载有信息的高频信号加载于电流，然后用电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话，以实现信息传递。
利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。
由于电力线机械强度高，可靠性好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传输方面发挥了重要作用。
图1.2电力线高速通信技术在家庭中的应用
近几年，随着Internet技术的发展及宽带局域网和数据网的全面建设，登陆上网的人数成倍增长，家庭数据网络将是下一个数字化目标。
然而，采用何种方式使用户终端连接到距离用户最近的网络连接设备（被称为“最后一公里”问题），是近年来网络界的争议焦点。
目前有多种技术解决这一问题。
利用己有网络设施解决“最后一公里”接入问题的技术有DSL技术、HomePNA（HomePhonelineNetworkingAlliance）技术、电力线通信（PLC）技术和CableModem技术。
除了以上利用己有资源解决接入问题的技术外，还有10M以太网入户技术（几种通信技术的比较见表1）。
由于电力线具有普遍性、接入简单、价格低廉以及不用布线等显著特点，被业内人士看好。
而且，电力线通信网能同时传输视频、语音、数据和电力，数据传输速率可达到几兆乃至几十兆，这样就有可能带来“四网合一”的新趋势（如图1.2）。
PCL技术利用家用电源插座充当通信接口，为用户提供高速接入服务，使电力公司能够介入ISP和工CP市场，为其带来新的利润增长点，在传统的电信市场中成为强有力的竞争者。
此外，也为电力公司提供了一个拓展业务范围的机会，从而在自由竞争的市场中获得更强的竞争力和更可观的利润。
除了解决“最后一公里”问题，电力线通信网还是家庭自动化的生力军，同时也可以完成远程自动抄表（包括气、水、电表等），消防、保安等任务。
家庭联网是应用PCL的另一个重要特点。
可以将家庭内的多台计算机之间，计算机同打印机之间，计算机同扫描仪、数字传真机、以及其他数字家电等设备通过电力线相连，组成家庭网络，为用户提供更舒适、方便的生活和工作环境。
而且电力网络具有无处不在的优点，采用电力网可以减少在网络建设上的巨额投资，而这一点正是制约宽带应用的重要因素。
电力线通信网络组网非常简单，只需连接电源插座和必要的网络通信设备，就可实现数字设备之间的相互通信。
而且在房间任何有电源插座的地方都可连接互联网，并永久在线。
因此，电力线通信技术具有广泛的应用前景。
该项技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。
表1.1各种通信技术比较
通信方式
速率（bps）
可否同信传输语音
物理介质
评价
模拟调制解调器
56k
否
双绞线
应用广泛、廉价但速度慢
ISDN
128k
是
双绞线
应用不广泛，较普通电话线稍贵
XDSL
8M上行
2M下行
是
双绞线
不干扰普通电话线使用，频宽受距离限制
有线电视网
10M（取决用户数）
否
同轴电缆
必须拥有现成的网络接入，并改造为双向传输；在新区域开办服务和铺设线路造价高；共享带宽，可组网网
高速PLC
2M-45M
是
电力线
无需新线，分布广泛，接入方便
2基于电力线通信技术的智能家居系统结构
2.1系统结构
智能家居系统是一个基于计算机网络的智能住宅管理控制系统。
鉴于我国家庭居住环境多以小区为单位，本文开发的智能家居系统主要是由数字家庭网络、住宅接入网络、小区管理中心控制平台构成，如图2.1所示。
数字家庭网络是基于网络智能控制数据终端（IntelligentControlDataTerminalonNetwork，以下简称ICDT）的集中控制系统，通过它完成对家庭内部各种传感器、表计及控制器的数据采集和控制，家庭内部网络的数据传输采用低压电力线载波的通信方式。
住宅接入网络是小区局域网到住宅家庭网络的延伸，可以稳定运行在多种宽带接入网络上，如以太网LNA、高速PCL或ADSL接入网络等。
小区管理中心是基于以太网的信息平台，采用C/S与B/S相结合的系统结构，主要由中心管理服务器、控制工作站及互联网接入网络路由器组成，完成对整个小区住宅的智能化控制和管理。
图2.1智能家居管理控制系统示意图
论文所设计的智能家居管理系统建立在小区局域网平台上，利用电力线进行数据传输的总线分布式组网结构。
从系统组网示意图2.2中可以清晰地了解到整个智能家居系统的结构及其工作流程。
图2.2基于PLC技术的智能家居系统组网示意图
在小区的每一住户家中安装一台ICDT，每台分配固定的IP地址。
家庭内部，所有输出设备，如报警探测器、求助按钮、电子式脉冲表，它们的信号I/O口均接有相同的电力线载波通信模块（即EPLC一6005载波模块，以下简称为“从站”模块），通过室内电力线，连接到ICDT的I/0口处内嵌的电力线通信模块（即EPLC-600载波模块，以下简称为“主站”模块），这样ICDT便可采集到上传信号。
采用同样连接方式，家中的输入装置，如警灯警号及各种家用电器等也连接到ICDT，由ICDT的外设键盘进行开关控制，也可以通过电话或互联网进行远程控制，实现布防、撤防、查询、家用电器控制等操作。
在网络接口的输出端口连接14MbpS电力线调制解调器，同样在小区管理中心的PC上也连接一台14MbPs电力线调制解调器，这样通过小区的电力线网络，即可实现各住户的数字家庭网络与小区管理中心的相互通信了。
在小区管理中心，对配备的PC性能要求比较高，令其作为中心服务器，运行管理控制软件，数据存放在数据库服务器上，以实现小区对所有住户家中的ICDT的配置和管理。
电力线载波通信模块，即主从站，也是本系统开发的重点，它们承担系统的模拟量采集、脉冲量采集和开关量采集任务。
户内的温度控制器、水浸控制器等设备中加装的模块进行模拟量采集,从站将控制器输入的模拟量（电流值4-20mA）转换为电平信号，以0、1数字量通过单片机写入数字帧，再经调制解调芯片转换为载波信号，通过电力线发送给主站，主站采用类似原理，将接收的载波信号解调出数字帧，解读还原为数字量发给ICDT。
四表（水电气热表）抄送属脉冲量采集，即从站采集脉冲量，转换为载波信号发送给主站，主站还原脉冲量，上传给ICDT。
其余设备，如门窗磁、紧急按钮、家电控制器、警铃警灯等，无论输入输出都属开关量采集，工作原理与前两者类似。
2.214Mbps电力线高速通信设备在智能家居系统中的应用
前文对基于电力线载波技术的智能家居系统的设计进行了整体分析，电力线载波技术起到了举足轻重的作用。
以传统布线连接方式设计智能家居系统，是无法避免室内户外重新布线所带来的工程量繁重和二次投资的。
电力线载波技术在该系统中的灵活应用，使智能家居系统以崭新的方式呈现出来。
于室内，采用低压电力线低速载波技术，设计电力线载波通信模块，完成智能家居装置与家庭网关之间的通信，关于此通信模块的设计详见第五章。
在户外，采用日趋成熟的电力线高速通信技术，在家庭网关输出端口和小区管理中心的HUB上分别连接14Mbps电力线调制解调器，通过已有的小区电力线网络，实现小区局域网的通信和家庭对Internet访问。
下面简单介绍一下应用于智能家居系统中的电力线通信技术。
2.2.114MbpsPLC调制解调器的基本工作原理
14MbpsPCL调制解调器主要由用户接口单元、调制解调和耦合单元三部分组成。
接口单元是指电力线调制解调器同用户设备间的双向数据传输的接口，这些接口包括同计算机之间的RJ-45以太网接口或UBS接口。
调制解调部分由数字信号处理单元和相应的外围电路组成。
数字信号处理单元负责同用户设备间的双向通信，并将来自用户的数据进行编码、调制后送往外围电路进行数模转换、放大、滤波，或是将来自外围电路经滤波、放大、模数转换后的信号进行解调、解码后送往用户设备。
耦合单元是电力线同调制解调器部分的结合设备，它将调制好的高频模拟信号送入电力线进行传输，或从电力线上提取出高频信号以便进行解调。
图2.3中给出了EPLC-14M调制解调器内部电路组成框图。
EPLC-14M调制解调器的主控制元件是通过外围的数据处理电路与电力线相连接的。
电力线路上的耦合器隔离了电力线上的高压信号。
该系统采用ODFM的载波调制方式。
在EPLC-14M系统接收端，将接收到的信号分成几路载波，然后与本地晶振信号混合，产生新的信号；将这几路信号传送到EPLC-14M系统的接收装置，再通过以太网口或者USB接口与计算机或智能电器相连。
在EPLC-14M系统发射端，先通过数模转换器将本地客户机发送的数字信号转变成模拟信号，再进行相应的滤波整形放大，然后传送给发射装置，这样客户机的数据信息就可通过电力线输出。
EPLC-14M调制解调器采用Intel的1NT5130（144脚LQFP封装的集成有MAC/PHY的收发器）作为核心芯片。
基于NIT5130，搭建合理外围电路，实现了调制解调器的14MbpS高速数据传输。
图2.3EPLC-14M调制解调器内部电路组成框图
2.2.214Mbps电力线高速通信系统功能
14Mbps电力线可以解决宽带到小区后的最后300米问题，实现自配电变压器至用户家庭的全电力线介质接入网，无需布线、无需穿墙过孔、不破坏装修，节省人力物力。
它特别适合宽带到楼边的最后100米应用，是宽带入户的理想解决方案。
它的带宽达14Mbps，吞吐量高达6-7Mbps，完全满足家庭内部多台计算机联网的需要，可以实现Internet连接、打印机、文件等资源的共享，也可以进行多人互动在线网络游戏。
实现这一切无需布线、不破坏装修。
而且它可以在家庭宽带入口处加装EPCL-14ME电力线一以太网桥，其以太网口同入户宽带接口相连，电力线接口插入家中任一墙上插座，即可在家庭任一有墙上插座的房间享受有线移动网络带来的便利。
用它进一步将通信模块嵌入智能家居装置中，可以享受到智能家居系统给人们生活带来的极大便利。
利用其永久在线特性可以搭建集安防、监控于一体的智能化家庭管理。
可以建立集社区电子商务服务和远程抄收水电气热表计的数字化社区。
所以他为网络运营商提供一种全新的宽带入户思路一租借供电公司的电力线作为通信介质。
最后它同样适合宾馆酒店的客房宽带接入和中小企业的内部联网，为智能家居系统的推广应用创造有利条件。
2.2.314Mbps电力线高速通信技术在智能家居系统中的应用
图2.414MbpS电力线高速通信系统组网示意图
图2.4中描述了整个小区内智能家居系统中的的典型组网方式。
在每一家庭中，14Mbps电力线高速通信设备既可以直接连接PC，用户通过它访问小区局域网和Internet，或者管理自己家庭内部智能家居系统的有关设置；也可以把该设备连接到家庭网关（即智能家居系统中的ICDT），以便用户通过ICDT的触摸屏或者外挂操作按钮与小区管理中心互通信。
在小区管理中心，中央服务器连接到HUB上，通过HUB与14Mbps电力线高速通信设备连接，这样通过小区电力线网络，方便小区住户与小区管理中心互访。
图2.514M高速PLC系统连接应用示意图
14Mbps电力线高速通信系统由局端设备一电力线通信以太网桥EPLC-14ME和用户端设备一电力线调制解调器EPLC一14M组成，见图2.5。
该套设备符合HomePlug电力线通信规范1.0标准，在电力线上可以提供高达14MbsP的带宽。
EPLC-14ME作为电力线以太网桥，一般位于配电变压器、配电柜或家庭己有宽带入口处，实现传统宽带到电力线通信方式的转变，连接方式见图2.5（a）。
以太网口连接宽带入口，电力线接口直接连接到电力线上，即可实现以太网通信与电力线通信之间的转换。
EPLC-14M一般位于家庭内部，直接同用户计算机或者家庭网关相连，其连接方式见图2.5（b）。
若EPLC-14M与计算机相连，通过USB线连入计算机UBS接口。
若连接家庭网关（ICDT），由于所设计的ICDT仅提供以太网接口，所以在EPCL一14M中作了一些改进，将其USB接口电路转换为以太网接口电路，通过以太网线连接ICDT；或者在EPLC-14M的UBS连线的另一端连接USB/以太网接口转换器，这样就可方便地连接ICDT了。
2.3系统功能
本章第一节给出了智能家居系统的整体设计方案，按此方案设计的智能家居系统可以实现多种功能:
防盗报警
家中的各类防盗报警探头处加装电力线载波通信模块一“从站模块”（EPLC-6005），每个从站端口均可独立设置任意长度的延迟时间、划分布防组别、设定端口常态（常开/常闭），以及设定报警方式（是否上报中心或本地报警）等。
贵重物品防盗报警
依据住户要求可将与贵重物品相关的防盗设备设为较高报警级别，从而引起管理人员足够重视，一旦有盗窃事件发生，瞬间开启报警设备。
多重判断防误报功能
为防止发生误报现象，小区管理中心的主控软件应该能够综合判断室内多个逻辑相关的探测器的状态（按时间序列）和家庭设防模式。
若确定属于误报，则主控软件会自动地在后台进行远程消警，同时在数据库中做出误报一记录。
火灾自动探测报警
用户在烟感火灾探测器上加装从站模块即可实现。
作为家庭安全的重要保护设施，烟感探测器不应随防盗类报警设备一同布防、撤防，因此在设置时，应该将连接该类设备的从站模块设为永久布防模式一即无论ICDT是否处于布防状态，在触发条件满足时，ICDT会立即发出报警信号。
煤气泄漏自动探测报警
在燃气火灾探测器上加装从站模块。
同上所述，作为重要的非防盗类安全设备，住户也应该将相应的载波模块设置为永久布防模式。
紧急求助
用户将紧急求助按钮安放在家中比较醒目易操作的位置，在按钮处也加装从站模块。
由于其不仅是作为防盗类的报警装置，多数是在发生紧急情况下使用的，因此也应该设置为永久布防模式；同时，考虑到窃案发生时该设备的报警意味着受侵害者在场，因此在设置该项功能时应设定为只上报小区管理中心而本地不报警，以减少受侵害者被发现的可能性。
防挟持秘密报警
在ICDT报警时，住户可通过输入防胁迫密码撤销本地报警，中心则将进一步收到挟持报警信号，便于管理中心采取一定措施保证住户的人身安全。
在防胁迫密码的设计上，ICDT系统没有采用简单的统一密码（因为此类密码易被不法分子察觉，可能导致住户的安全受到进一步的威胁），而是在原有密码的特定位置上加/减特定的数（该特定位置及特定数可由住户指定）。
由于住户密码可自行设定，则在保证密码安全的同时也最大限度的实现了防胁迫秘密报警的独特功育旨。
水、电、气、暖气多表远程自动抄收
在各种脉冲计量表的信号输出端口加装从站模块，从站模块的主控单元定义灵活，适用范围广，不存在特殊性，可随着房屋内表计的加减以及位置变换，随意撤换定义从站模块。
另外，对于不同的表计制造厂家所采用的单位脉冲计数技术不一致的情况，只需在主控软件上进行设置即可灵活改变。
小区内部电子公告
小区管理中心可以通过小区广播方式或特定通知方式，选择单户或多户，向各户家中ICDT发送中、英文电子公告消息，如小区娱乐活动安排、催缴费用通知，以及重要新闻等。
ICDT系统的显示界面可滚动存储六条电子公告。
INTERNET电子短信息
住户登录小区局域网站后，除了可以查询自己家中的相关信息、控制家用电器设备外，还可向其他住户家中的网络智能控制数据终端发送电子短信息。
当然，为防止网络骚扰行为，只有本小区内的住户才有权限互发电子信息，而且只允许对单户发送。
住户家用设备报修
对于业已达成维护协议的户内设备，住户可以在其发生故障时通过家中的网络智能控制数据终端向小区管理中心发出报修申请。
由于该项功能是ICDT实时访问小区管理中心数据库的方式实现的，所以小区需要具备电子商务。
照明控制系统
照明系统主要由日光灯、吊灯、壁灯、射灯和落地台灯等组成。
除日光灯外，其它灯均可作亮度调节，以满足各种需要。
灯光会根据不同的情景，做出相应的调整，例如，欣赏影片时，自动调暗灯光。
只需要轻触一个按钮便可产生一种预先设定的照明效果，使用方便。
远程家用电器控制
网络智能控制数据终端的内置电力线载波通信模块一“主站模块”（EPLC一600），可以实现家用电器的输出控制功能。
住户可以通过拨打电话或者从Internet登录小区网站了解家用电器设备的开关状况，并且可以控制家用电器设备的开启关闭。
通过ICDT系统的外置键盘，住户还可以直接对任一从站模块进行设定，例如家用电器开启/关闭的时间设定。
内置HUB芯片提供多个信息口
网络智能控制数据终端系统在保证自身在小区局域网上正常运行的同时，还可以以很低的成本扩展出三个信息口为住户登陆Internet、加设网络设备或进行家庭内部组网提供方便。
从而在满足住户对上网点的位置
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