（计算机应用技术专业论文）基于arm的智能家居控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 i n t e r n e t 现己成为社会重要的信息流通渠道。嵌入式系统能够连接到 i n t e r n e t 上面将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。随着i p v 6 的应用，设备都可能 获得一个全球唯一的i p 地址，通过i p 地址和互联网相连成为一个网络设备。因 此随着电子技术和i n t e r n e t 技术的发展使的家用电子电器产品步向智能化网络 化的智能家居方向。智能家居是集成微电子技术与控制技术当前嵌入式系统典型 的代表。 本文将嵌入式技术与电力载波通信协议x 一1 0 技术结合起来来实现智能家居 控制系统，着重研究智能家居控制系统的核心一基于a r m 核的智能家居网关软硬 件设计。智能家居网关是一个嵌入式w e b 服务器，用户通过登陆智能家居网关进 而实现对智能家居网关的远程控制操作，智能家居网关将接收到的用户命令进行 “翻译”之后向家庭电力线发送x - i o 指令，实现对家庭设备的控制。 本文首先分析基于a 蹦的智能家居控制系统的原理及x _ 1 0 技术；然后给出具 体基于a r m 平台的硬件电路设计，本文在以l p c 2 2 1 0 为处理器实现智能家居控制 系统的设计中，给出详细设计步骤与过程。本系统主要电路包括有电源电路、键 盘电路、l c d 显示电路、存储电路、网口电路、及x 一1 0 电力载波电路等等；其次 a r m 平台软件实现是本文的一个重点。本文主要分三步来实现：第一步实现了在 l p c 2 2 0 0 系列处理器上的嵌入式操作系统u c o s i i 的移植、第二步实现t c p i p 协议栈l w i p 在嵌入式操作系统上的移植、第三步实现w e b 服务器的组建以及应用 软件设计。最后系统在搭建完软硬件平台之后，进入调试结果环节。系统运行后 本人使用本地示波器观看波形，然后通过对波形的解析与x 一1 0 指令的对照来验证 基于a r m 的智能家居控制系统的可行性，进而实现了x 一1 0 信息家电与i n t e r n e t 的互连控制。 图f 3 4 j 表【5 】参f 3 5 】 关键字： l p c 2 2 1 0 u c o s - i i l w i p 嵌入式w e b 服务器 x l o 分类号：( t p 3 6 8 2 ) 安徽理： 大学硕士论文 a b s t r a c t i u t e m e th a sb e c o m ea l ll m p o r t a n tc h a n n e lf o rt h ef l o wo fl n f u n n a t i o n e m b e d d e d s y s t e mc a nc o n n e c tw i t ht h ei n t e r n e tt os e n di n f o r m a t i o nt ot h es u r f a c eo fa l m o s ta n y p l a c ei nt h ew o r l d e m b e d d e de q u i p m e n tc o n n e c t i o n 弼t l li n t e r a c tr e p r e s e n t st h er e a l f u t u r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n dn e t w o r 虹n gt e c h n o l o g y w i t hi p v 6a p p l i c a t i o n , a l l e q u i p m e n t sa r el i k e l yt oh a v et h eo n l yg l o b a li pa d d r e s s ，b e c o m ei n t e r n e te q u i p m e n t s t h r o u g ht h e i n t e r a c ti pa d d r e s s a c c o r d i n g l y , w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e r a c t t e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , h o u s e h o l de l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a lp r o d u c t s d e v e l o pt o w a r d si n t e l l i g e n ta n dn e t w o r ks m a r th o m e i n t e l l i g e n th o m ei n t e g r a t e dw i t h c u r r e n tm i c r o e l e e t r o n i c st e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi sat y p i c a lr e p r e s e n t a t i v e o fe m b e d d e ds y s t e m n l i sp a p e rc o m b i n e sp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 【_ 1 0 t e c h n o l o g y a n de m b e d d e dt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ei n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e m ，s t u d i e st h e c o r eo ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mw h i c hi st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f i n t e l l i g e n th o m eg a t e w a yb a s e do na r m ，s m a r th o m eg a t e w a yi sa ne m b e d d e dw e b s e r v e r u s e rl a n d so ns m a r th o m eg a t e w a yt or e a l i z er e m o t ec o n t r o l l i n ga n do p e r a t i n g s m a r th o m eg a t e w a y s m a r th o m eg m e w a yr e c e i v e su s e r so r d e r sa n d ”t r a n s l a t e s ”f l a e m ， a f t e rt h a ti tw i l ls e n dx - 1 0i n s t r u c t i o n st ot h ef a m i l yp o w e rl i n e ，r e a l i z ec o n t r o l l i n g f a m i l y 。se q u i p m e n t s t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h ep r i n c i p l eo f i n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e ma n dx 一1 0 t e c h n o l o g y ，t h e ng i v eu st h es p e c i f i cd e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nt h ea r m p l a t f o r m t h i sp a p e rd e s i g n st ot h ei n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nl p c 2 2 1 0 p r o c e s s o r , g i v e st h ed e t a i l e dd e s i g na n dp r o c e s ss t e p so fc i r c u i td e s i g nb a s e do n l p c 2 21 0p r o c e s s o r t h i ss y s t e mm a i nc i r c u i ti n c l u d e sp o w e rc i r c u i t ，k e y b o a r dc i r c u i t ， l c dd i s p l a yc i r c u i t ，m e m o r yc i r c u i t ，n e t w o r ki n t e r f a c ec i r c u i t ，a n dx 一1 0p o w e rl i n e c a r r i e rc i r c u i t se t c s e c o n dt h ed e s i g no fa r mp l a t f o r ms o f t w a r ei saf o c u s ，i nt h i s p a p e rw e a c h i e v ei ti nt h r e es t e p s ：t h ef i r s ts t e p t h ea r t i c l eo nl p c 2 2 0 0p r o c e s s o r r e a l i z e se m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mu c o s i it r a n s p l a n t a t i o n ；t h e s e c o n ds t e p r e a l i z e st c p i pp r o t o c o ls t a c kl w i pt r a n s p l a n t a t i o no ne m b e d e ds y s t e m ；t h et h i r ds t e p i st h ef o r mo fw e bs e r v e r ) a n dd e s i g no fa p p l i c a t i o ns o l a r e 。a tl a s ts y s t e mh a s f o r m e dh a f d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ，i te n t e r e sat e s t i n gl i n k a f t e rt h es y s t e mh a s i i n l n ，、v eu s el o c a lo s c i l l o s c o p et ow a t c ht h ew a v ef o r m ，t h e nc o n t r a s tt h ew a v e f o r m 锄8 1 y s i sw i t hx - ioo r d e r s ，w ed r a wt h ef e a s i b i l i t yc o n c l u d ew h i c hi sb a s e do na r m i n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e m 、t h e nm a k et h ex 一1 0i n f o r m a t i o na p p l i a n c ea n d i n t e m e ti n 4 e r c o r m e c t i o nc o n t r 0 1 f i g u r e 3 4 】t a b l e 【5 】r e f e r e n c e 【3 5 】 k e y w o r d ： l p c 2 2 1 0 】【u c o s i i f l w i p 【e m b e d d e dw e bs e r v e r 【x 一1 0 c h i n e s eb o o k se a t a l o g ：( t p 3 6 8 2 ) i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 l ；之外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞熬理墨太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 售缈签字日期：2 功7 年净月药日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了髂：塞煎堡墨太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权塞邀堡墨太 堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文( 保密的 学位论文在解密后适用本授权书) 同时本人保证，毕韭后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学 学位论文作者签名： 镪杰 签字日期：加1 年劬山铂 导师签名：7 哦 0 签字碍期：v 一年月们 引言 引言 本文主要是研究嵌入式系统在智能家居控制系统中的应用，a r m 嵌入式系统 的研究是目前大家都研究的一个热点，本文通过对a r m 系统在实际生活中的典 型应用的实验迸一步掌握开发与设计a r m 系统过程中需要领悟和把握重要知识 结构与设计方法。a r m 实验开发涉及到软件与硬件知识都很多，本文将a r m 平 台开发巧妙的与电力线载波技术相结合来实现对家庭用电设备的控制与管理，进 而实现智能家居控制系统的构造。 智能家居是一个融合通信原理、控制技术、网络技术的计算机系统。其中家 庭家居网关服务器是整个智能家居系统的核心，它是家庭内部的出海口，是实现 家庭内部设备与外面世界通信的关键。本文在实现以a r m 系统为家庭网关控制 系统的设计过程中主要实现的功能有两大功能。首先，对内通过电力线载波技术 实现家庭内部网络的构建，连接各设备及子网；其次，对外通过以太网技术与小 区网络相连接，实现家庭综合管理以及远程控制。 本系统的硬件实验开发环境是使用p r e t e 9 9 来进行电路图设计与p c b 板的制 作的，软件实验开发环境是在c + + 下面进行程序编辑开发的，程序完成后在a d s 下面进行编译，编译通过后生成可执行文件通过e a s y j t a g 下载到板子里，然后使 用a x d 进行调试。测试工具使用本地示波器来观察电力线上的x 1 0 波形实验效 果。 安徽理工大学硕士论文 1 1 智能家居 1 绪论 i n t e r n e t 就像一个浩瀚无际的信息的海洋，充满了异常丰富的信息资源。经 过十几年的迅猛发展，目前的i n t e r n e t 把世界上所有的国家和地区都连到了一 起，促进了世界文化，经济，科学等方面的巨大发展。现在它又把触角延伸到了 我们的家庭。和i n t e r n e t 相连接必定使我们的家庭生活更加便利，舒适和充实。 与i n t e r n e t 相连接不仅是我们智能家居领域，而且是其他绝大多数领域的一个发 展的趋势。进入到2 1 世纪的人类借助网络和飞速发展的信息技术可以足不出户纵 览全球。电子商务、远程教育、家庭网上办公、网上购物、网上旅游聊天、社区 智能管理等等，以超乎想象的速度改变了人类的生产、生活方式，更深远地影响 到人类的思维模式和生存状态。为了适应网络化信息化时代要求，在家居方面诞 生了智能家居的概念。 。 1 1 1 智能家居概述 智能家居、或称为智能住宅、或称为数字家园，它们的含义和所具各的功能 大体是相同的。首先，它们都要在一个家庭中建立一个通讯网络，为家庭信息提 供必要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构：实 现对连入家庭网络的所有家电和设备的控制和监测；其次，它们都要通过一定的 媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控 制、监测和交换信息的需求，其最终目的都是满足人们在家庭中对安全、舒适、 方便地工作和生活的需求f i i 。 智能家居是以家为平台。兼各自动化、智能化的高效、舒适、安全、便利的 家居环境。智能家居是一个典型的集计算机、通讯和消费于一体的3 c ( c o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r ) 系统，是整个世界形成的一个巨型网络的末端， 俗称是该网络的“最后l o o m ”。住宅是人们居家生活的场所，智能化应服务于人 们的居家生活和居家办公，因此应更全面、更富有人性化。智能化的组成部分很 多。但一个真正意义上的智能家居必须具备以下要素：网络高速接入功能，家居 办公功能，家居娱乐功能，家居安全监控功能，家居商务功能等等。从目前的发 展情况来看，智能话不等于家居自动化，仅安装了若干具有自动化性质的设备还 远远不能称之为智能。但是对于智能家居的基本定义我们应该可以给出：智能家 1 绪论 居是指将各种信息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来，并保持这些设备与住 宅的协调，从而构筑成舒适安全的信息化居住空阎，以便在信息社会中富有创造 性的生活。 1 1 2 智能家居控制系统 智能家居是一个功能复杂、涉及面广，系统庞大的计算机系统。其中家庭服 务器是整个家庭网络的核心，也是实现与外部连接的关键。所以其实现的功能主 要有两大功能。首先，对内实现家庭内部网络的构建，连接各设备及子网。其次， 对外与小区以太网的接入，实现家庭综合管理以及远程控制。但是从具体的功能 上来说，目前的家庭服务器有四大类型：家庭控制功能，视频监控功能，安防报 警功能，四表( 热表，电表，水表，煤气表) 抄送功能等等。 本文主要实现智能家居家庭控制功能。智能家居控制系统是实现对家庭设备 的管理控制，所有的家庭设备通过家庭总线与家庭服务器构成一个管理系统。有 了智能家居控制系统我们可以通过家庭控制器来控制我们家庭里的照明系统，它 可以随意的调节灯光的亮度来配合自己的感受，达到自己喜欢的效果。另外它还 可以进行各种场景设置，当您与您的爱人吃烛光晚餐的时候，我们的家庭服务器 可以为你创造一种浪漫，幽雅的环境。当您家中在开一个舞会的时候，您家中的 灯光将变得动感，变幻，给您创造一种激情，热烈的氛围。 我们还可以用它来控制各种网络家电，比如说我们可以用它来控制空调，我 们可以在下班到家前的几分钟打个电话回家，通知家里服务器提前打开空调并可 以设定湿度。而且还可以根据室内的温度来控制空调的开关，使屋内的温度舒适 宜人。冰箱将会根据内部存储食物的种类自动调整存储温度，并会发出变质警报； 当冰箱里的储存的食物不足的时候，家庭服务器会及时发现这种情况，它会按照 设定的号码发短信或者是打电话给家庭的主人。或者是直接发送到社区中心，社 区中心在将需求信息传递给邮政或者是商品配送中心，配送中心大型的数据库将 调出你所需要的商品名称及数量，然后送货上门。它还可以进行复合场景设置， 如果您在读书的时候喜欢喝上一杯咖啡，喜欢闻着清新的花香畅游书海，那么您 不必一件一件的去设置这种环境，一按读书模式的按键，我们的家庭服务器会帮 您做这些事情，它会自动的打开咖啡壶，香熏器，还能调出最最适合您读书的灯 光亮度【2 】。 3 安徽理】：大学硕士论文 1 2 智畿家居系统国内外研究进展 1 2 1 智能家居控制网络研究状况 不同的智能家居系统之间以其控制网络和控制方式来区别的。目前情况来看， 国内外研究和使用的智能家居系统品种有很多，所以智能家居系统也是各有千秋， 但从其技术角度来看大致可分为以下四种： 1 x 1 0 协议。x - 1 0 是以5 0 h z 或( 6 0 h z ) 为载波，再以1 2 0 k h z 的脉冲为调 变波( m o d u l a t i n gw a v e ) ，发展出来的数位控制技术，并制定出一套控制规格， 是以电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的通讯协议。在许多国家已广泛 的应用于家庭安全监控、家用电器控制、室内照明控制、背景音乐控制和住宅仪 表数字读取等方面。该系统的特点有：无须布线、系统稳定、可靠、安全、使用 方便操作简单、具有系统扩展功能、产品价位低廉。x - 1 0 以其优良的性价比目前 在中国的应用较多。 2 总线技术。总线技术在智能家居行业当中，也较为广泛的一种技术手段。 消费电子总线技术( c o n s u m e r e l e c t r o n i c b u s ，c e b l 】s ) 是美国电子工业协会( e i a ) 于1 9 8 4 年4 月开始组织开发出的家居网络标准，于1 9 9 2 年正式推出，并定义为 i s - 6 0 e i a - 6 0 0 标准。参与研究开发( c e b u s ) 的公司多达几百家，像m m 、b e l l 、 p a n a s o n i c 、s o n y 等都是它的会员。c e b u s 是一个较完整的开放系统，并要求控制 信号在所有的介质中都要以相同速度( 1 0 k b i t s ) 传送，从而有效的避免了信号传 输中可能出现的“瓶颈”问题。但由于c eb u s 接口技术比较复杂，价钱非常昂贵。 3 放射性布线系统。是立足于国内市场的一些智能家居厂商，所研发的系统 一放射性布线系统。该系统的价格是特别适合大多地区的推广，只是它的安装工 程相对比较复杂、只适合清水房的前期安装、系统扩展往及兼容性不是很理想。 4 无线技术。由于多数智能家居系统的布线工程比较费事，所以在一些新的 智能家居商家所研发的系统，就立足解决这个难题。目前这一问题虽然没有得到 完全、彻底的解决，但是已经大大减少在整个施工过程中的布线工程量，但由于 它的出现属于一种新的方式，所以系统价格就相对高一些，还有部分系统采用的 蓝牙技术，其产品更为昂贵。无线技术由于其成本较高、易受干扰、保密性差、 同时人们长期生活在较强电磁波的环境中，对人体健康也有一定影响【3 j 。 综合上面比较我们可以看出，x - 1 0 技术比其他几种方式具有明显的优势，因 此本文采用x - 1 0 技术利用家庭固有的电力线作为传输介质是组建智能家居控制 内部控制网络。电力线将电能传到家中的各个房间，同时也将家中所有的电灯、 4 1 绪论 电器连成了网络。采用x 1 0 协议电力载波技术就是将低压控制信号加载到电力 线上传送到各个位茕，合理的利用了电力线的网络资源。避免重复施工，不用布 控制线是这套系统的最大的一个优势。电力载波技术从整个系统的实用性、适用 性、经济性以及系统安装的便利性考虑，它都具有得天独厚的优势1 4 1 。 1 2 2 智能家居家庭网关研究状况 智能家居网关最早被r e s i d e n t i a lg a t e w a yg r o u p ( r g ) 工业论坛组织定义过， 智能家居网关又叫家庭网关( r e s i d e n t i a lg a t e w a y ) ，它代表一个集中式智能接口， 将外部的网络接入家庭，和家庭内部网络联系起来。事实上，它是一种简单的、 智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络的接口单元。它可以从不同的外部网络 接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。 国外对家庭网关的研究主要集中使用p c 机做为家庭网关( 家庭服务器) 对家 庭内部设备与子系统进行控制与管理的。 p c 机在智能化小区中应用已经很成功了，p c 机强大的功能使得其作为家庭 网关也有一定的特点如：良好的w i n d o w s 系统软件支持，界面友好，强大的信息 存储和信息处理的能力。但是智能家居不同与智能小区，使用p c 机作为家庭服 务器并不令人如意。因为p c 机的硬件和软件不可裁剪、功耗高不能满足2 4 小时 不断电、而且体积大、价格高等等这些因素的制约使得其不是一般家庭能够购买 的起以及使用的起的，所以其很不适合我国普通用户家庭的使用推广。 因此国内目前主要使用1 6 位单片机来实现对家庭设备的管理和控制。单片机 来实现智能家居可以满足普通家庭用户的价位需求，在一定程度上可以达到家居 系统的智能化。但是单片机在实现多任务处理方面有点力不从心，加上需要移植 操作系统以及网络协议栈等等对单片机的存储能力和外围接口扩展能力都提出了 很高的要求。 针对以上不足之处，本文设计以3 2 位的a 跚处理器来取代1 6 位单片机；a 脒 强大的处理能力加上良好的软件平台支持使得它完全可以与p c 机相媲美。 p 0 a 嵌 入式系统的是以应用为中心和计算机技术为基础的并且软、硬件可裁剪、功能强 大、可靠性高、成本低、体积小和功耗低等等这些特点完全能满足智能家居应用 系统的要求p j 。 1 3 论文研究意义及内容 1 3 1 课题研究目的和意义 s 安徽理工大学硕士论文 智能家属是要在一个家庭中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路， 在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对连入家庭网 络的所有家电和设备的控制和监测。智能家居需要通过一定的媒介，构成与外界 的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制、监测和交换信 息的需求，进而满足人们在家庭中对安全、舒适、方便地工作和生活的需求。 本课题是以a r m 核为处理器、以电力线为介子、以x - 1 0 为控制协议来实现对家 庭用电设备的智能化控制与监测本文研究的目的主要有两点：一、是针对目前大 多数智能家居控制系统系统布线成本太高不适合普通用户的缺点提出的利用电力 载波来降低成本的新思路；二、将i n t e r n e t 技术引入到家居中实现对家庭设备的 远程控制嘲。 本文提出的以家庭家用电力线为控制总线由于系统无须布线操作简单，为人 们实现家居的智能化提供了可靠的保障；以嵌入式系统来实现智能家居系统软硬 件可裁剪、可扩展为人们实现家居便捷的、舒适的、网络化的生活提供了根本的 解决方案。 1 3 2 论文主要内容 本文结合电力载波技术集中的研究在a r m 平台硬件电路设计和基于a r m 平台 软件设计。文章从提出问题到解决问题力求实现家庭设备的智能化控制，为此系 统在移植了操作系统的基础上移植网络协议栈进而实现w e bs e r v e r 的构建，应用 程序集中详细的描述x 1 0 指令在电力线控制的实现与原理。 。 全文共分五章，主要内容如下： 第l 章文献综述。介绍了智能家居的概念，以及智能控制方式，阐述了本课题 研究的目的与意义目前智能家居控制系统研究的现状 第2 章系统原理与总体思路。详细的分析了x - i o 技术，然后给出了智能家居控 制系统的基本架构及其工作原理。 第3 章系统a 跚平台硬件设计。文章介绍了a 跚以及平台的核心处理器l p c 2 2 l o ， 并以此扩展了一些必要的基本外围硬件电路，以及实现x - l o 电力载波模块电路。 第4 章系统a r m 平台的软件设计。系统软件的设计为本论文的重点，主要分为 四部分：u c 0 s i i 的移植、t c p i p 协议栈l w i p 的移植与实现、嵌入式w e b 服务器的 搭建、应用程序软件的设计。 第5 章调试结果与问题，通过实验结果验证了本系统构建的正确性，然后对本 系统干扰问题进行了一些讨论。 6 1 绪论 第6 章总结和展望。主要对本系统工作进行了一个总结，并且对进一步的 工作提出了展望。 1 4 本章小结 本章首先提出课题的目的及意义，指出智能家居是为了满足人们对家居的安 全、舒适、方便地需求；接着说明目前研究工作现状，智能家居主要是对 嵌入式系统的研究；最后给出本篇论文的主要内容。 7 安徽理工大学硕士论文 2 系统原理及总体思路 2 1 系统原理 本文主要是利用家庭内部电力线作为传输介质，以a r m 核为智能家居网关硬 件平台，实现对家庭内部用电器的控制。电力载波通信技术x l o 以家庭内部电力 线为介质可以实现对用电器控制操作的目的，因此使用x 一1 0 技术嵌入式智能家庭 网关使用现成的家庭网络，无须另外布线具有可移植性好和兼容性好的优势。用 户远程登陆家庭网关服务器就可以实现对家庭用电器的远程控制。 电力线载波( p l c ) 是智能家居控制系统的桥梁，电力线载波具有信息传输稳 定可靠，路由合理、可同时复用信号等特点由于电力线和信号线合一，无须铺设 信号线，人们原来使用和维护电器的习惯都不受影响。x 1 0 技术能够很好利用电 力线将家庭内部电器组成一个内部网络，然后由统一的家庭服务器来管理控制。 家庭服务器即智能家居网关是智能家居控制系统的核心，它负责发布x - i o 指令 来控制家庭各个用电设备。 2 2x - i o 控制技术 1 9 7 6 年由p i c oe l e c t r o n i c s 公司研发的国际通用的智能家属电力载波协议 x - l o ，是全球第一个利用电力线来控制电子电器设备的标准。其兼容产品的互联 媒介就是a c 2 2 0 v 电力线，所以无需重新布线。电力线将电能传到家中的各个房间， 同时也将家中所有的电灯、电器连成了网络。在提供电流的同时又可以像网线一 样，将控制命令传送到被控制的灯饰或家电上，从而实现网络化的控制。被控制的 电器可多达2 5 6 路。用电力线做载体传输控制信号，既经济又方便，很容易进入 家庭。低廉的价格、上千种的产品以及简单的设置方式成功开启了智能家居时代。 目前x - i o 市场占有率很大，以x - i o 产品最大市场美国为例，约7 成的家庭使用 x - i o 技术，从灯光控制产品、安全控制系统、电话系统，到音响系统、空调系统 等系列产品都有应用i ”。 x - l o 通讯借助电力线上的过零点实现同步通信，它是以5 0 h z ( 或6 0 h z ) 为载 波，将1 2 0 k h z 音频信号限制在一个很小的带宽内，形成一个音频脉冲，然后以 1 2 0 k h z 调变信号在每一正弦波周期上有无和交流电信号的过零点检测( z e r o c r o s s i n gd e t e c t ) 很好地结合在一起，再加以调制形成良好的方波电平信号，即 电源线调变信号取代数据0 与1 ，信号发送和接收的起点应当尽可能地接近过零 点且在过零点处的2 0 0 微妙以内，信令以1 2 0 k h z 、5 v 的脉冲形式进行传输，若每 8 2 系统原理与总体思路 个半周期内出现l m s 的脉冲则表示信号“l ”，若每个半周期内没有相应的脉冲出 现，则表示信号“0 ”，由此在一个限定个数的周期内得到了一个简单的数字信号 组合，通过对该数字信号组合进行规范，形成了一个简单的通信协议。音频信号 通过耦合变压器加载到电力线上从而将控制指令通过电力线传送到目的地。 1 - 对。i ”和“0 ”的编码 如图l 所示( 我国交流电频率是5 0 h z ) x - 1 0 用交流电源线上频率为1 2 0 k h z 、 持续时问为l m s 的脉冲的“有”和“无”来表示二进制数的“l ”和“0 ”。在许多 应用中，脉冲持续时间的长度并不要求很精确。与每一位二进制数所对应的脉冲 要连续发送3 次( 如图2 所示) ，每次都是在交流电的过零点处( 刚好对应三相交 流电的三个过零点) 。也就是说，两次发送脉冲之间的时间间隔是2 7 7 8 ，每位数 据都是在过零点处发送。这样做是为了确保不管接收方位于三相交流电的哪一相， 他它始终可以获取到最。安静”的时刻。通常，信噪比的最大值位于过零点处， 因为此时的电压最低嗍。 图1x - 1 0 对“1 ”和“0 ”的编码 f i g1x 1 0e n c o d i n g t o 。i a n d 。0 。 9 安徽理工大学硕士论文 图2 每个二进制数所对应的脉冲要连续发送3 次 f i g2e a c hc o r r e s p o n d i n gb i n a r yp u l s eb e i n gs e n do u tf o rt h r e et i m e s 如果在单相交流电上发送x - 1 0 脉冲，那么在半个周期内就发送l m s 的脉冲来 表示x - i o 信号。在外，在实际中采用增加冗余的方法来提高可靠性，用“l o ”组 合对来表示“1 ”，用“0 l ”组合对来表示“0 ”，如图3 所示。着用的表法策略也 就决定了其数据传输率在数值上等于交流电的频率，即5 0 b p s 。 lo 图3 用。1 0 ”组合对来表示“l ”，用“0 1 ”组合对来表示“0 ” f i g3 u s e 1 0c o m b i n a t i o n t o e x p r e s s o f ”i 。啦e 叼1 ”c o m b i n a t i o n t oe x p r e s s o f 。0 “ 2 编码方式 x - 1 0 控制协议包含一个简单的编址方案，其帧分为数据帧和控制帧两种，每 帧由1 1 个周期( c y c l e ) 正弦波组成，其帧结构主要由开始码( s t a r tc o d e ) 、 房间码( h o u s ec o d e ) 、单元码功能码( u n i t f u n c t i o nc o d e ) 等组成。其中： l o 2 系统原理与总体思路 开始码( s t a r tc o d e ) ：判别相关序列脉冲信号是否为有效。房阃码( h o u s ec o d e ) ： 由a 、b 、c 、d 0 、p 等1 6 个字母组成，每个字母代表一个房问单元( 如表1 所示) 。 表1 房间码 t 曲l e1h o mc o d e h 8h 4h 2h 1h 8h 4h 2h lh 8h 4h 2h 1h 8h 4 h 2h 1 a01 10e 00o1io1l1m o0o o b ll 10 f10ol j 111 1 n10o o co01og olo1k 00l1o olo o dlo1oh1l0ll1011p1lo o 单元码( u n i tc o d e ) ：由1 、2 、3 1 5 、1 6 等1 6 个数字组成( 如表2 所示) ，每个数字代表一个控制节点( 控制单元) 表2 单元码 t a b l e2u n i tc o d e d 8d 4d 2d 1fd 8d 4d 2d 1fd 8d 4d 2d lfd 8d 4d 2d lf lollo5oo010 9o11101 3o00 oo 0 2l11o6l00lol o111lo1 410 00 0 o 3o0l0 701o1o1 l0 ol1o1 50loo 0 0 4l01o8llol01 2l0ll01 6llooo o 功能码( f u n c t i o nc o d e ) ：由a l lu n i t so f f ( 所有都关闭) ，a l lu n i t so i l 所有都打开) 、o n ( 打开) 、o f f ( 关闭) 、d i m ( 变暗) 、b r i g h t ( 变亮) 等1 5 个命令组成( 如表3 所示) 。 表3 功能码 t a b l e3f u n c t i o nc o d e n 8d 4 d 2d lfd 8d 4d 2d lfd 8d 4d 2d lf a l l0o 0o1 b r i g h t olollp r e - s e t1o1 x1 u n i t sd i m 安徽理工大学硕士论文 o f f a l l 0001 la l l ol101e x t e n d e d1lo o1 u n i t s l i g h t s d a t a o n o f f o n o0 10le x t e n d e d01l1ls t a t u sl 1ol l c o d ei so n o f f o o1 1 lh a i l 1oo o1s t a t u sll 1ol r e q u e s t i so f f d i m o1o0l h a i llo0lls t a t u s1l ll l a c k n o w l e d g er e q u e s t 系统中为了识别网络中的不同设备，采用了1 6 进制编码，称之为地址码 f a d d r e s s c o d e ) ，这样系统中的所有被控制设备都被赋予一个惟一地址码，即 1 6 个不同的类组码，每一个类组地址又可再区分为1 6 个单位码，分别用字母( a 、 b 、c p ) 房问码( h o u s ec o d e ) 和数字( 1 、2 、3 1 6 ) 单元码( u n i tc o d e ) 组成，对应为根码和子码，一共可有1 6 1 6 = 2 5 6 个可能的地址组合，因此这套系 统可容纳2 5 6 个不同的地址，用于表达节点i d 。功能码( f u n c t i o nc o d e ) ：代 表指令发出者要求接收节点执行怎样的控制动作，如：a 1 | o n ，a 1 - o f f 。通过 设置的i d ，不同的节点只响应含有自己i d 信息的控制信号，并执行控制指令要 求的任务，以对灯光的控制而言，每一个地址上可以执行的命令包括：开o n ( 0 0 1 0 1 ) ，关o f f ( 0 0 1 1 1 ) ，灯光调暗d i m ( 0 1 0 0 1 ) ，灯光调亮b r i g h t ( 0 1 0 1 1 ) ， 全部灯亮a l ll i g h t so n ( 0 0 0 1 1 ) ，以及全部灯熄a l lu n i t so f f ( 0 0 0 0 1 ) 等功 能嗍。 3 命令格式 x - 1 0 协议规定每条控制命令长度为1 l 位，也就是2 2 个交流电载波的“半周 期”( 每个数位占据1 个“半周期”) ，并且每条命令都必须连续发送两遍。每个命 令都由头部和正文两部分组成，每个合法命令都以标志码1 1 1 0 ( 占据2 个周期) 开头的开始码，4 位的房间码和5 位单元砌能码复合码两个部分。正文部分的每 个二进制数用2 个数位表示，即该二进制数本身( 如d 1 ) 和其反码( d 1 ) 对， 也即用“1 0 ”组合对来表示二进制数“l ”，用“1 0 ”组合对来表示二进制数“o ” ( 如表4 所示) 。除了d i m 、b e j a t 和e x t e n d e d a t a 命令之孙，每发送一条命令之 后，都要等待三个周期才能接着发送下一条命令。e x t e n d ed a t a 命令之后的数据 2 系统原理与总体思路 必须紧跟在该命令之后。所有的数据都必须遵从“二进制数本身，其反码”这一规 则，唯一的例外是每个命令头部的起始标志码“1 1 1 0 ” 表4 x - 1 0 协议命令格式 t a b l e4x - 1 0a g r e e m e n tf o r m a t 1 1 l o h 8 h 8 h 4 h 4 h 2 h 2 h l ，h l d 8 d 8 d 4 ，d 4 d 2 d 2 d l d 1f f 起始标志 h o u s ec o d eu n i t f u n c t i o nc o d e 码 2 b i t4 b i t5 b i t 头部正文 一条x 1 0 控制指令( 如a 1a l 0 na - o n ) ，包括4 7 个周期正弦波，大约需 要0 7 8 3 3 s ( 一般小于i s ) 当然有些命令需要的时间更少，如发送“全部灯亮” ( a 1 1 一l i g h t s o n ) 指令时，因为不需要发送任何地址，所以只需i 3 s ( 实际 0 3 6 6 6 s ) 。接收器的响应时问一般为0 2 s ( o 1 8 3 3 s ) 卜1 0 是一个广播的系统，控制指令以广播的形式在电力线上的传送，理想状 态下可以达2 1 k m ，家庭环境下可达5 0 0 m 。采用3 1 5 m h z 射频传输技术实现无线遥 控，不受方向和障碍物限制阻碍，有效半径为5 0 m 就像给门上加锁一样，采用 无线加密技术给每家的遥控器分配密码，有效避免这些可以挂在钥匙链上的遥控 器穿透墙壁后使邻居家的设备开启或关闭，或者邻居在用遥控器开灯时自己家的 窗帘被拉开，邻居之闻互不影响。 2 3 智能家居控制系统结构 智能家居是通过统一的网络总线和嵌入式控制平台将家庭的电器设备、灯光 控制系统、安全控制系统、能源管理系统等连成一体的。目前智能家居的发展趋 势是由集中控制到分布控制，与集中式控制相比，分布式控制不仅能减少布线， 而且能提高系统的可靠性，当某一个节点出现故障时，只需将该节点从网络中拿 走，而其他节点不受影响f l l 】。所以智能家庭控制网络主要由下面几个部分组成( 如 图4 所示) ： 安徽理工大学硕士论文 家庭网关( 嵌入式 、 开发平台) f 各种子 ) 。| b c 兰i西l b c u il 里里旦_ j i 。 电力线 ff ， llll l b c u ii 剃i l b c u i ii i 家用电器1家用电器2 家用电器3 图4 智能家居控制系统基本结构 f i g4i n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e mb a s i c s t r u c t u r e 总线耦合器( b c l i _ b 1 1 sc o u p l eu n i t )