基于电力载波技术的智能家居网络化控制平台设计.docx

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1、基于电力载波技术的智能家居网络化控制平台设计基于电力载波技术的智能家居网络化控制平台设计sunxiaoli导语：本文阐述了基于X-10协议的电力载波技术在智能家居中的详细应用情况。具体介绍了X-10协议的通讯原理、nRF905芯片，并围绕nRF905芯片设计了控制平台。摘要：本文阐述了基于X-10协议的电力载波技术在智能家居中的详细应用情况。具体介绍了X-10协议的通讯原理、nRF905芯片，并围绕nRF905芯片设计了控制平台。阐述了硬件设计和软件设计中数据收发的实现经过，并通过实验证实了方案的可行性。关键词：电力载波；X-10协议；智能家居中图分类号：TN919.3文献标志码：AContr

2、olNetworkDesignofSmartHomeBasedonElectric-networkCarrierTechnologyLinlinZhang1,HongweiGao21)ShenyangPolyRealEstateGroupCorporationLimited,Shenyang,1100012)SchoolofInformationScienceEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang,110159Abstract:Thedetailapplicationofelectronic-networkcarriertechnologyi

3、nsmarthomebasedonX-10protocolisdiscussedinthispaper.ThetheoryofX-10protocol,nRF905chipandthecontrolplatformbasedonthischipisintroduced.Therealizationprocessofhardwareandsoftwareindatassendandreceiveisalsointroduced,thevalidityofthisstrategyisprovedbyexperiment.Keywords:Electronic-networkcarrier;X-10

4、protocol;Smarthome1.引言智能家居是将计算机、网络、通讯、控制及布线等技术应用到住宅中，将家中的各种设备通过网络连接在一起，并使用无线遥控、或者语音等便利的手段使用户更方便的对家庭设备进展操控，充分表达了以人为本的生活理念。家居网络是将所有的家用电器设备联结成一个网络，是智能家居的核心，它按照一定的通讯协议对各设备实现控制和调节。家庭网络的控制可分为有线控制和无线控制，无线控制主要在家庭范围外，通过等无线设备来控制住宅内的电气设备，有线控制那么用在住宅范围内对电气设备的控制。在众多的有线控制技术中，电力载波技术应用较为广泛。电力载波技术通过电力线将控制信号传输给各电气设备，使

5、控制端和家电设施形成了家居网络。电力载波分为高压载波和低压载波，高压载波用于远程的控制和调节，而低压载波由于其传输间隔相对较近，主要用于家庭内部。电力载波技术利用电力线作为控制电器的传输介质，不用重新布线，降低了智能家居的本钱，并方便更新和维护。本文通过对X-10协议的研究，实现了电力载波技术在智能家居控制中的网络化应用。2.电力载波技术简介电力载波通讯是在工频为50Hz的电力输电线路上传输控制信号，以开放式网络构造对每个控制节点进展集中的控制。目前应用于电力载波上的通讯协议有BACnet(BuildingAutomationandControlNetwork)、EBI(EuropeanIns

6、tallingBus)、HBS(HomeBusSystem)以及X-10协议等等，其中X-10的信号频率为120kHz，比沟通电信号频率要高的多，因此接收器很轻易识别到。基于X-10协议的智能家居设计采用电力线载波通讯技术，利用220V的电源线作为信号的传输介质，在智能家居中X-10协议也是比拟主流的网络通讯协议。2.1X-10通讯协议介绍X-10是国际通用的智能家居电力载波协议。X-10可以通过电力线实现设备之间的通讯，并对设备传送控制命令。1976年英国PicoElectronics公司提出电力家居控制方案，并且该公司的工程师开发了X-10协议并获得专利。X-10模组引入美国后不仅在技术上

7、得到了较大的完善，并开场应用于智能家居领域。自此，全球出现了大量智能家居消费厂家，各大电气公司如西门子、三星等等也都投身于智能家居领域。目前，智能家居技术大致可分为三类：X-10电力载波、无线射频、集中布线。相比于后两种，X-10电力载波由于其开展时间长、用户数目多、晋级方便、价格廉价等优点使其在这三类智能家居技术中开展最为成熟。各厂家采用的通讯技术也略有不同，但都考虑到X-10技术应用比拟成熟，所以X-10电力载波技术理所当然的成为了智能家居中的主流技术。2.2X-10通讯原理在网络系统中，为了保证通讯双方能正确而自动地进展数据通讯，针对通讯经过的各种问题，制定了一组约定和规那么，这些约定和

8、规那么的集合称为协议。X-10通过在电力线上发送和接收信号来实现通讯。因此，X-10系统主要由两局部组成，即发射器和接收器。控制信号由发射器通过电力线传送给接收器，由接收器对电气设备进展控制。X-10的信号是叠加在沟通电力线的过零点上的，由于脉冲信号越接近零点那么干扰越小，所以将120kHz的编码信号加载到60Hz的电力线上，根据此时有无载波信号来表示传输数据的“和“。图1X-10信号的过零检测发射器和接收器同时检测电力线的过零点信号以确定数据应该何时传送，但是X-10无法区分过零点时是上升沿还是下降沿。因此，在正弦波的零相位处有120kHz的脉冲群，而紧随这一脉冲群之后的1800相位处没有脉

9、冲群那么表示信号“。相反，在正弦波的零相位处无脉冲群，而紧随其后的1800相位处有脉冲群那么表示信号“0，如图2所示。图2“1和“0的断定为了使接收器得知何时开场接收发射器发出的数据，需要设定一个启动点，当接收器检测到该启动信号时就开场接收数据。在连续的三个过零点处都有脉冲群，而接下来的一个过零点没有脉冲群，表示启动点生成完毕，其经过如图3所示。图3启动码的生成为了线路转送装置能不错过任何传输信息，X-10让每个数据帧传输两次。一条完好的控制指令由4帧数据组成，前两帧传输被控设备地址，两帧之间无间隔。后两帧传输控制命令，两帧之间也无间隔，但前两帧与后两针之间有3个周期的间隔，所以每条控制指令需

10、要47个周期。对于50Hz的电力线来讲，47个指令周期接近1秒。2.3基于X-10协议的智能家居系统X-10是国际通用的智能家居电力载波协议，假如通讯的双方没有共同的通讯协议，通讯就不能同步地进展，或由于数据格式的不一致，彼此不能理解对方的数据中所包含的信息，使得通讯实际上还是不能进展。X-10电力载波在提供电流的同时又可以像网线一样传送控制指令，进而实现网络化的控制。基于X-10协议构建的智能家居系统，主要由家庭网关和分布在家庭各处的符合X-10标准的家电设备组成。由于如今市场上大多数家电产品仍未在其内部提供对X-10协议的支持。因此暂时需要在电力线与家电电源之间增加一个X-10模块,由网关

11、对X-10模块进展控制，间接实现对家电的控制。在系统中为了识别网络中的不同设备，采用了2位16进制编码，称之为地址码，这样系统中的所有被控制设备都被赋予一个唯一地址码。每个X-10设备都被分配到一个地址，地址由“房间号和“设备号两局部组成。房间号的选择范围为字母“A-P,设备号的选择范围为数字“1-16。因此在一个基于X-10协议构建的智能家居系统中最多可同时控制1616256个不同地址的X-10设备，因此这套系统可包容256个不同的地址，可以执行的指令包括：on，off，dim，bright，alllightson，allunitsoff。X-10协议标准对设备地址编码，用于逻辑表示，使用时

12、参照协议中的转换表直接使用即可。3智能家居系统硬件设计智能家居是通过统一的网格总线和控制平台来控制家庭内部电器设备的系统。设计系统主要有两局部组成：发送模块和接收模块。发送模块利用单片机程序将指令发送到承受模块上，其中包括目的设备地址信息。接收模块利用单片机程序实时检测电力线上的X-10信号。当检测到电力线上有信号时，就会把刚刚检测到的信号内所包含的地址信息与自身已经预设好的地址进展比拟，假如相等那么等待接收下一条X-10控制指令，假如与自身地址不相等，那么将该地址信息简单的抛弃，继续等待下一条地址信息的出现。通过相应的指令做出对应的动作，到达对设备的实时控制。图4系统物理模型智能家居是通过统

13、一的网格总线和控制平台来控制家庭内电器设备的系统。控制网格主要由收发模块、阻波器、用电设备等组成。3.1nRF905芯片介绍nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V，32引脚QFN封装(55mm)，工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM工作形式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通讯，配置非常方便。其引脚及性能如表1所示。nRF905有两种工作形式和两种节能形式。两种工作形式分别是

14、ShockBurstTM接收形式和ShockBurstTM发送形式，两种节能形式分别是关机形式和空闲形式。nRF905的工作形式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定。表1nRF905芯片引脚介绍3.2数据发送模块当有数据要发送时，必须将nRF905设置为工作形式。通过SPI接口按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905。此时，nRF905的TRX_CE和TX_EN引脚置高位，激发芯片的ShockBurstTM发送形式。然后，射频存放器自动开启，数据打包(加字头和CRC校验码)之后开场发送数据包。当数据发送完成，数据预备好引脚被置高。AUTO_RETRAN也立即被置高，

15、nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低。当TRX_CE被置低，nRF905发送经过完成，自动进入空闲形式。ShockBurstTM的工作形式使得当数据开场发送后，即使TRX_CE和TRX_EN的引脚发生变化，都会将该数据包发送完之后再接收下一个数据包。3.3数据接收模块首先通过TRX_CE置高、TX_EN置低，将nRF905设置为ShockBurstTM接收形式，使nRF905不断监测，等待接收数据。假设检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高。当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高。此时，数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据预备好引脚置高。同

16、时微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲形式。微控制器又通过SPI口，把数据移到微控制器内。当所有的数据接收完毕，nRF905把数据预备好引脚和地址匹配引脚置低。nRF905此时可以进入ShockBurstTM接收形式、ShockBurstTM发送形式或者关机形式。3.4线路阻波器线路阻波器一般由电感型主线圈，调谐器以及保护元件构成，直接串接在高压输电线中载波信号连接点与相临的电力系统元件之间，来防止传输于外界电力线的信号干扰。阻波器按电路谐调方式分类，主要分单双频，频带及无调谐，图4为单频调和频带调谐阻波器电路图。图4阻波器电路图4智能家居系统软件设计进入主程序入口后，首先对控制器

17、进展初始化，然后对X-10进展过零检测。分别接收地址信号和控制命令，承受到X-10信号后查地址指令表，将该地址与存储地址进展比对，假设匹配那么执行控制命令，假设不匹配那么重新接收信号。5结论X-10电力载波技术是针对智能家居网络化控制平台开发的通讯协议，由于其性价比高和技术成熟稳定的特点，在智能家居的应用中有广泛的应用。本文以该协议为根底构建了网络化控制平台，充分利用了电力线和网络资源，并通过设计一个简单的照明系统验证了X-10电力载波在智能家居应用中的可行性。参考文献: 1余峥嵘.电力线载波技术在船舶通讯中的应用研究D.哈尔滨工程大学硕士论文.2006. 2陶国彬,高丙坤,张秀艳,周全.电力线载波技术在家居控制网络中应用J.佳木斯大学学报(自然科学版).2005,23(2):180-183. 3祁明晰,祁昶,黄天戍.基于电力线载波通讯技术的智能家居系统J.电力自动化设备.2005,25(3):72-75. 4周洪.智能家居控制系统M.北京中国电力出版社,2006.作者简介：张琳琳1981,女,工程师，目前主要从事建筑设计与智能建筑等方面的研究。：024-23412111E-mail:polyzhangll126通讯地址：沈阳市沈河区新宁街2号,保利综合楼7层技术部1101610