结合电力线载波通信技术的发展状况，提出了基于电力线载波通信技术的智能家居系统设计方案；详细地阐述了该系统的总体框架设计、远程终端系统软件设计以及嵌入式μC／OS系统控制器的硬件设计和软件设计。系统的实验检测结果表明，该方案能够灵活、快捷地实现对家居设备的控制，而且成本较低。
电力线通信(Power Line CommunICation)技术是指把载有信息的高频加载于电流，利用既有电力线进行传输，通过调制解调器将高频信号从电流中分离出来，传送给计算机或其他信息家电，以实现信息传递。
利用电力载波通信技术，系统网络无需另外布线，降低了成本。电力网是覆盖范围最大的网络，只要是接入电力线的电力设备就能进行通信。每个导电插座都是网络的接入点，数目多而且比较方便。无需拨号，只要导电就能接入网络，具有灵活、方便、速率快等优点，适合对家庭设备的控制和监控。
1 智能家居控制系统方案
智能家居控制系统控制和监视着家庭中各种设备的运行，如空调、微波炉等设备的开关及工作状态的调节。本文综合智能家居系统的功能和要求，研究了一套基于电力线通信的智能家居控制系统方案，系统总体结构如图1所示。
该控制系统主要分上层网络和底层网络两个部分。底层网络是指家庭内部的电力线网络，将家中的所有家电、照明设备、各种报警探头和水表等设备通过电力线终端连接到住宅中的220 V电力线上，继而通过μC／OS系统控制器，构成基于电力线载波的家庭内部网络，用以实现家庭各种开关设备、电器设备以及各种仪器仪表的控制。上层网络是指家庭内部网络与外部以太网的连接，家庭内部网接入以太网以实现设备数据的存储、PC端和手机终端的远程控制和Android监控功能。
μC／OS控制器是整个系统的控制核心，主要有现场控制和远程控制两种方式。现场控制时，通过人机交互界面，实现设备控制和信息显示。远程控制时，通过以太网与远程PC机服务器建立连接，接收发来的各种控制和查询命令，并通过电力线将这些命令传送到控制节点，控制相应的设备执行动作。μC／OS系统控制器还能够监测各控制节点的状态，家庭中的设备定时向μC／OS系统控制器发送状态信息，如发现故障或者不正常的操作时，控制器将做一些紧急的处理，如关闭电源等，并发出故障报警信号给服务器，通过服务器将报警信号转发给远程And roid手机终端。
家庭内部设备通过控制节点连接到220 V电力线上。控制节点不但能够实现对电器设备的本地控制，还能接收μC／OS系统控制器发来的控制命令，根据编码地址控制对应地址的设备发生动作。每个家电、设备、仪表都有自己唯一的地址来标识，从而保证控制的唯一性。各控制节点对从电力线传过来的载波信号进行解析和地址判定。若地址与本节点所连设备相符，则执行机构执行相应命令，继电器进行吸合或者释放动作，实现对目标的开／关控制，同时返回目标的开／关状态。控制节点还可以向μC／OS系统控制器上传所采集设备实时状态，如开／关状态、电压、电流等，同时还会定时上传各种仪表的实时采集信息。
在μC／OS系统控制器和各控制节点上都内嵌有电力线载波通信模块，它们之间通过电力线载波通信模块进行通信。它们承担系统的模拟量、脉冲量和开关量采集任务。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，控制节点处的电力线载波通信模块将输入的模拟量转换为电平信号，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μC／OS系统控制器处的电力线载波通信模块。采用类似原理，将接收的载波信号解调出数字帧，还原为数字量发给μC／OS系统控制器。各种开关设备以及模拟量上传设备均通过该原理实现。
2 μC／OS系统控制器硬件设计
2．1 系统控制流程
μC／OS系统控制器和控制节点内部均有电力线载波通信模块，两者通过该模块进行通信。控制节点处的载波通信模块把从家庭设备中采集到的开关量、模拟量处理后通过电力线传输到控制器的载波通信模块，经过解调处理后还原为初始信号，再通过串口发送给μC／OS系统控制器，进行相应的数据处理。同样，μC／OS控制器向下发送控制命令时，先通过控制器上的载波通信模块进行调制、处理，再经过控制节点的载波通信模块进行解调转换后再发送给相应的设备，实现控制。
2．2 硬件结构
μC／OS系统控制器采用ARM7TDMI内核的微控制器，外接电源模块、电力线载波通信模块、GPRS无线收发模块、LCD模块、触摸屏模块、Flash模块等，硬件模块结构示意图如图2所示。
2．3 微控制器
微控制器是系统的主控点，向下通过电力线载波通信模块与各控制节点进行通信，实现家庭内部网的本地监控；向上通过GPRS无线收发模块与局域网相连，进而通过以太网与远程主机连接起来，实现了系统的远程监控功能。微控制器采用Atmel公司的AT91RM40008芯片，一款基于ARM7TDMI内核的32位控制器，工作频率为66 MHz，其片内集成了256 KB RAM，可以将代码直接运行在片内RAM上，使得应用程序的设计可以采用任务查询方式，增强了系统的稳定性。两个全双工通用同步／异步收发器(UART)与外围控制器PDC连接，整段数据交给硬件自动收发处理，比单字节处理大大减轻系统处理压力，保证了系统的实时性。电路图略——编者注。
2．4 LCD模块
μC／OS系统控制器界面显示采用7寸LCD屏幕，800×480像素分辨率，提供了良好的人机交互界面。驱动控制采用SSD1963Q芯片，可以显示16×16、32×32等汉字和字符。触摸屏模块中采用TI公司的ADS7843芯片，它是12位取样模／数转换器，具有功耗低的优点，适合用于该核心控制器。电路图略——编者注。
2．5 电力线载波通信模块
电力线载波通信芯片是电力线载波通信系统的核心，在该控制系统中，选用了力合微公司生产的LME2980芯片，该芯片具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点，集成了看门狗等电路，确保了工业环境下的可靠性。电力线载波通信电路设计如图3所示。
3 μC／OS系统控制器软件设计
μC／OS系统控制器的软件设计可以分为3层：应用层、中间层和驱动层。驱动层是整个软件控制系统工作的基础，主要包括LCD驱动、定时器驱动、CPU驱动等；中间层主要实现中间层对底层不同设备的兼容和向上层提供各类应用程序开发的统一接口，主要包括一些C库函数、底层功能函数以及μC／OS系统调用接口；应用层通过调用中间层提供的接口，完成界面控制、网络通信、串口通信等功能用以控制智能家居设备。控制器的软件模块层次图如图4所示。
3．1 载波通信模块软件设计
载波通信过程中，载波通信控制单元发送完一位扩频数据后，自动产生一次中断，允许下一位数据发送。根据捕获和同步过程需要，首先发送至少42位的全“1”数据，本文中发送45位全“1”数据；然后按位发送同步帧头0xA5；之后根据用户的有关通信协议按位发送通信地址、数据长度、数据体、校验等字节。数据全部发送完后，载波通信模块即可转为接收态。但为确保待发送数据的最后一位发送成功，必须在发送完最后一位数据后的下一次发送中断到来后，才可以转换载波发送态到接收态。载波发送过程中，CPU必须使计数器复位，避免自动复位提前进入载波接收态。
