基于物联网的智能家居监控系统的开发

宣航

(沈阳职业技术学院，辽宁沈阳110045)

基于物联网的智能家居监控系统的开发

宣航

(沈阳职业技术学院，辽宁沈阳110045)

物联网技术的飞速发展使智能家居系统的实现具有了更成熟的技术支撑。在充分研究智能家居各项技术的前提下，设计了一种基于电力线载波通信技术的智能家居控制系统。该系统以TOP6410开发板为核心，以OFDM调制技术为基础构建了智能家居系统的硬件体系结构和软件平台。结果证明该智能家居系统不仅功能完善，而且具有信息传输速度快、抗干扰能力强的基本特性。

智能家居；OFDM调制；物联网；远程控制

智能家居是以住宅为平台，兼备建筑技术、计算机技术、网络通信技术、信息家电技术、嵌入式技术、设备自动化控制、综合布线等技术于一体的，为人们提供舒适便利、安全环保、健康高效居住方式的生活环境。智能家居的核心技术是嵌入式系统，而物联网技术的快速发展，为智能家居产业提供了强有力的支撑。

物联网利用传感器的数据采集能力，将底层信息采集和互联网相衔接，可以实现对物体的远程控制和感知的网络。物联网一般分为三个层次：感知层、通信层、应用层。感知层是物联网的基础层，是信息的来源。物联网感知层目前大多采用无线传输技术，如蓝牙、ZigBee、无线局域网WLAN、Wifi等来构建，但是以无线传输技术为主体的信息采集在空间产生的大量电磁辐射，会对人们的健康产生不良的影响，尤其是在智能家居中，尽量减少射频设备的存在也是保证居住者身心健康的必要考量。

目前在我国居家环境中，均由电力系统提供220 V、工频50 Hz的低压电。而以居家配电线路作为传输介质，将采集数据利用相应技术手段调制并加载到工频50 Hz的电力线路中，实现物联网数据采集、传递和交换的过程，不仅可以减少重新布线的工程复杂性，也可以提高通信的安全性，是智能家居底层信息采集的良好选择。

1 电力线载波通信技术

在家居环境中，电力线路主要以低压线路的形式存在。低压电力线载波通信技术主要是指利用低压配电网中的电力线作为信号的传输媒介，对信号或数据进行一定范围传输的通信方式。目前，随着嵌入式技术的发展，中压电力线载波通信发展的如火如荼，在电网运行监测、用电负荷的预测与控制、智能集中抄表等领域的应用非常广泛，而低压线路载波通信技术的开发还不尽如人意。

低压电力线路在居家环境中，是一种运行最为稳定、可靠性最高的线路，将其应用于数据的采集和控制具有一定的天然优势。但是由于电力线路的主要功能是为用电设备提供大功率的电源能量，而使用电力线路的用电设备种类多、使用周期不确定且可能会产生一定程度的谐波，因此，利用电力线路来传送信号就会受到电力线上噪声多、电流强及负载不确定等特点的影响。要想实现信号在低压线路上顺利传输，克服以上问题，就需要对信号进行一定形式的调制。

电力线载波通道的基本结构如图1 所示。数据信号的收发利用载波机来实现，载波机通过RS485 总线连接至低压电路的母线上。为了提高抗干扰性，信号通过高频电缆经滤波器组滤波后，再接一个耦合电容器隔离工频高压电，从而将载波电流传送到低压配电电线上，图1 中阻波器的作用是阻碍载波电流流向变电所的母线侧，减小信号的分流损失。

图1 电力线载波通道结构

2 电力载波通道中的数字调制技术分析

低压电力线路是一种高噪声、高时变、强衰减的通信信道。由于低压电力上负载工作的不确定性造成了线路上阻值的不确定性，这带来了干扰的随机性及高时变性，同时，这一性质还带来了信号快速衰减的特性。而电力线路中各种非线性电器设备的使用又给低压配电网带来了极大的噪音。这使得信号在低压配电线路上进行传输变得困难重重。

要想解决以上问题，就要实现信号的有效调制。

信号调制的目的是使所传送的信息更好地适应信道的特性，以达到有效和可靠传输的目的。目前常用的数字载波调制技术有幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)等。而这些都存在去噪声能力差、难以抵御频带剧烈衰减所带来的不利影响，因此不适用于高速率、高容量信号传输的低压电力载波通信方式。

正交频分复用(OFDM)技术是近几年发展起来的一种新型的频分复用方式，它可以采用并行系统来减小串行传输所遇到的信道衰减、噪声大等问题。OFDM就是把整个可用的信道频带按照某种规则划分成若干个小的等宽子信道，并把串行信号码元按照子信道的大小变换为与子信道同样数量的并行信号码元，分别将这些码元调制后在子信道上并行同步传输的过程，具体系统如图2所示[1]。

图2 OFDM系统

OFDM多载波传输技术，利用离散傅里叶变换(DFT)和逆离散傅里叶变换(IDFT)来解决信号发送、传递和接收的问题，以产生多个互相正交的子载波来传输信号，从而提高了系统的抗干扰性。这一特性能够很好地克服窄带传输的噪声和干抗问题，降低多载波传输系统的复杂度，是一种很好的电力线路物理层信号调制方案。

3 系统总体设计

一个优良的智能家居系统，需要满足以下的功能服务[2]：(1)始终在线的网络服务，为家居生活提供无障碍互联网生活；(2)安全可靠的安防体系，实时监控火灾、煤气及非法闯入，结合自动控制可以实现主动防范；(3)优良的远程及智能控制，创造智能生活舒适空间。因此，构建符合要求的智能家居系统，就需要设计一个有效的嵌入式系统。

图3为智能家居控制系统整体框架图，从图中可知该系统以嵌入式控制中心为核心，采用TOP6410开发板作为核心部件，TOP6410开发板是一款高性能、高集成板及强扩展性的一体化开发板，能提供智能家居系统所需的主要功能。在TOP6410开发板上集成了基于ARM11的S3C6410处理器，该处理器有16位和32位两种选择，本设计采用32位处理器，可以有效地为硬件提供高性能的服务。S3C6410芯片还可能提供2.5G和3G的服务接口，因此，可以采用GPRS或3G进行手机端的远程控制。S3C6410芯片自带的多种硬件加速器可以为智能家居中的多媒体子系统提供有效的实时数据处理支撑。

图3 智能家居控制系统整体框架图

TOP6410开发板通过PLC电力线与各家居管理子系统相连接。这些子系统包括安防报警系统、照明系统、温湿度管理系统、多媒体管理系统、网络管理系统、用户管理系统等。各子系统通过传感器采集数据，再通过控制中心对数据分析后通过Internet网传送至远程控制中心，形成控制命令，实现对继电器的操纵，从而形成远程控制。同时也可以在分析数据后自动生成控制命令，实现联动控制。

4 总结

该系统采用物联网技术进行开发。底层为信息采集层，以嵌入式控制中心为核心，低压电力线为信息传输载体；中间层为通信层，采用以太网连接Internet网的结构来完现信息的远程传送；应用层为远程控制中心，主要完成各应用子系统的远程监控。

本设计采用TOP6410开发板来构造家居网关的控制中心，利用电力线实现传感信号及控制命令的传输，并采用OFDM数字调制方式来提高信号传输的抗干扰性和可靠性，从而为智能家居各子系统功能的实现提供有力的技术支撑。

[1]章坚武.移动通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013：86-87.

[2] 李明亮，刘小龙.基于ARM11的智能家居设计与实现[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013：274-275.

DevelopmentofsmarthomemonitoringsystembasedonInternetofthings

XUAN Hang

The rapid development of IOT make the implementation of smart home system have more mature technical support.On the premise of fully researching various techniques in smart home,a kind of smart home control system based on power line carrier communication technology was designed and developed.The hardware architecture and software platform of smart home based on TOP6410 board and OFDM modulation technology were built.The results show that the smart home system not only has full function,but also has very fast information transmission speed and strong anti-interference ability.

smart home;OFDM modulation;Internet of things;remote control

TM 769

A

1002-087 X(2015)04-0836-02

2015-01-05

宣航(1978—)，女，辽宁省人，硕士，讲师，主要研究方向为计算机应用技术和通信技术。