基于电力载波通信的家电控制系统设计与实现

摘 要： 设计并实现了一种利用电力载波通信的家用电器智能控制系统。该系统以ARM Cortex-M0为主控制器，集成了电力线载波芯片BWP08、传感器、红外学习与发送电路以及基本外围接口等电路，实现了家用电器的集中化和自动化控制。该系统通过PC或者智能终端发出控制命令，经载波芯片和调制电路耦合传送到各个接收终端，由微控制器进行命令解析与执行，实现家电的集中控制，微控制器亦可根据传感器上传的数值对家电进行自动化控制。实验结果表明，该系统方便、稳定、可靠。
关键词： 电力载波通信；Cortex-M0；传感器；红外学习；智能家居

　电力载波通信PLC（Power Line Communication）是电力系统特有的通信方式。它是利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。由于其自身的一些局限性，如配电变压器对电力载波信号有阻隔作用；不同的信号耦合方式对电力载波信号损失不同；电力线上的固有的脉冲干扰对信号的高度削减，因此，PLC的生存空间不断地被其他接入方式压缩，但在远程抄表上还是有着广泛的应用。随着数字家庭和智能楼宇的广泛应用，PLC技术重新得到了重视，它不需要重新架设网络就可以进行数据传送，并且在一个家庭或一个楼宇范围内充分屏蔽PLC的局限性，因此，PLC在智能家居系统中的应用越来越广泛。本文利用PLC设计了一个基于ARM Cortex-M0的家电集中化与自动化控制系统，使用户可以通过PC或定制的智能终端对家用电器进行监视与控制。
1 系统结构
　家用电器的智能控制系统由检测模块（亮度传感器、温湿度传感器等）、微控制模块、电力载波模块、红外学习与控制模块以及上位机软件组成，系统结构图如图1所示。

　用户通过智能家居终端（PC或定制终端）下发控制命令，命令通过电力载波芯片BWP08以及耦合电路耦合到电力线上进行传输，接收端（由BWP08及耦合电路组成）接收到电力线上的高频信号后将数据解调并发送至微控制器（MCU），微控制器经数据验证后，对命令进行解析，通过红外或是其他控制方式对家用电器进行控制，实现了对家电的集中控制。同时，微控制器可接收亮度传感器和温湿度传感器的检测数值（光强度、温湿度），根据光强度与用户设定的阈值进行比较进行百叶窗的自动调节及灯光控制，根据温、湿度与阈值的比较进行空调或供暖系统的自动控制，从而制造了一个自适应的舒适环境，实现了家用电器的自动控制。控制的阈值可通过命令写入微控制器，微控制器也可以把传感器采集数据及命令操作后的结果传输至上位机数据库，供用户查询与设定自动控制条件。
2 硬件电路设计
2.1 微控制器模块
　微控制器是整个系统中最重要的模块，需进行数据的实时采集、家电状态监控、红外遥控器功能学习，家电控制等任务。微控制器选用NuMicro M051系列中的M0516LAN（以下简称M0），它是基于ARM Cortex-M0内核的32 bit微控制器，提供多种通信接口，包括多组GPIO、UART、SPI、I2C，可直接与各类外接设备通信，内建8 KB Flash存储器，4 KB非易失性数据存储区，可用于存储各类红外遥控器编码。微控制器模块除了电源模块、时钟电路、复位电路、调试接口等基本电路，还包括与检测模块接口电路、灯具控制电路、红外学习与发送电路以及与载波芯片的连接电路，M0的电源模块、时钟电路等基本外围电路如图2所示。电源采用5 V电源输入，经AMS1117-3.3转为稳定3.3 V数字电压输出供芯片工作，并经电感滤除高频干扰可得模拟电压3.3 V；时钟电路采用12 MHz晶振电路；复位电路使用按键复位降低成本。

2.2 检测模块接口电路
　温度传感器采用DHT11，它是一款集温度、湿度为一体的数字传感器，包括一个电阻式测湿元件和一个 NTC测温元件，可以实时采集本地环境的湿度和温度，提供单总线方式与控制器通信，设计中使用M0的I/O口与之通信，传输距离可达20 m。为了准确全面获取室内空间的温湿度，可连接多个DHT11。
　光强传感器使用ROHM公司的16 bit串行输出型环境光亮度传感器BH1710FVC，拥有优异的分光感度特性，无论是暗处还是在阳光直射下都近似于人类视觉感应，能够进行大范围的亮度测定，提供I2C接口。而M0拥有数据传输率高达1 Mb/s的I2C总线，通过限流电阻R4、R5与上拉电阻R1、R2分别与BH1710FVC的SCL、SDA相连，时钟信号由主机M0提供，利用主从通信方式进行测量命令的写入与测量结果的读出。传感器与M0硬件连接图如图3所示。