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摘要：提出了一种由智能插座与集中器构成的智能家电控制系统。智能插座对所连接用电器进行电量计量、报警信号检测及通断电管理，通过电力线载波通信实现与集中器的信息传送。集中器实时监测各个智能插座电量数据、报警信号数据，将告警信息通过GSM短信方式发送给用户手机，从而实现对各用电器的监测和控制。
关键词：智能插座 集中器 电力线载波 智能家电控制
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-034-02
1 基于电力线载波的智能家电控制系统的应用背景
作为重要的能源基础产业，电力工业对节能减排、绿色能源、可持续发展的实现承担着重要责任和义务。近年来随着智能电网走上历史舞台，智能家电控制将成为未来家居发展的主流。与传统家居相比，拥有智能家电控制系统的新式家居会给人们带来更多的生活享受。它不仅能提供舒适宜人、安全环保的家庭生活空间，而且使家用电器由原本的被动结构转变为具有安全意识的主动个体，提供多角度的信息交换功能，实现家居内部与外部畅通的信息交流。在节能减排的前提下，智能家电控制系统的实现需要较少的经济投入，符合大众人群的经济水平要求。
电力线载波通信（Power Line Communication）是指利用中、低压电力线作为通信介质，实现数据、语音、图像等综合业务传输的通信技术。利用电力线载波通信实现智能家居的网络化控制无需架线，不破坏住宅结构；同时，具有价格低廉、线路遍布整个住宅、连接方便的优势，能够通过电力线将整个家庭中的用电器与智能集中器联为一体，在室内设备之间构建可自由交换信息的局域网，使人们可以通过网络来控制家里的用电设备，成为智能家居走进寻常百姓家的基础。
2 智能家电控制系统的构成
智能家电控制系统的硬件系统由智能插座，集中器，手机终端三部分组成。以电力线载波作为信息传输介质，智能插座采集数据，集中器集中处理数据并发送报警信息及命令，智能插座响应命令执行相应操作。手机终端获得家庭中数据信息，通过设定的命令实现对家电的智能控制。
2.1 智能插座
对用电器进行实时电量计量，采集家庭中温度及煤气浓度；将上述数据传送给智能集中器，由集中器对数据进行集中处理。该智能插座以AVR单片机为处理器，外部扩展电量计量芯片、各种传感器、串口、继电器和电力载波模块。
2.1.1 电量计量模块
电量计量模块实现电压和电流的实时监测。设计中使用ATT7022B三相电能专用计量芯片。该芯片集成了七路二阶sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用方便，该芯片适用于三相三线和三相四线应用。系统设计中根据需要进行单相或三相的电量计量。
2.1.2 传感器
传感器的使用主要有两种：温度传感器和煤气浓度探测器。
温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，其具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-55℃～+125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
煤气浓度探测器进口优质电化学CO专用传感器，可以检测可燃气体也可以检测有毒气体，当环境中被测气体浓度达到或者超过预置报警值时，会将空气中的气体浓度信号转化为电信号，具有精度高、准确误报率低、功耗小、稳定持久耐用等特点。
2.1.3 继电器
当智能插座检测到用电器电流出现异常，或接收到集中器的断电命令，通过继电器切断用电器的供电。继电器需要足够的电流使其正常工作，不能由普通单片机IO口直接驱动。设计中使用八路达林顿管阵列ULN2803芯片来驱动继电器。
2.1.4 电力线载波模块
电力线载波模块提供数据链路层和物理层的协议服务，负责将数字信号调制成扩频载波信号或将扩频载波信号解调为数字信号，调制后的扩频载波信号在220V交流电力线上传输。
设计中使用的LME2210电力载波芯片集电力线载波通信及CPU于一体。电力线载波通信部分采用先进的正交四载波调制与编码技术，有效对付电网干扰。支持48KHz-500KHz电力线通信专用频段，支持CENELEC-A/B/C/、ARIB及FCC波段，载波频点用户可编程。CPU部分为增强型单周期指令8051兼容内核，并带有32KB片内程序FLASH存储器及48KB RAM，可实现各种PLC通信MAC层协议，单一芯片构建完整的PLC通信节点。
2.2 集中器
收集由家庭网络中各智能插座采集得到的数据；对电量计量数据进行计算及存储，对温度及煤气浓度数据值进行判断，在各种异常情况下，智能插座发出断电操作命令；同时，将报警信息通过无线传输到住户手机中。该部分包括对电量数据的存储和对报警数据进行动作处理、显示、断电及报警，并且根据用户的按键设置对各种参数进行修改。
电路设计上以AVR单片机为主控芯片，外部扩展了矩阵键盘、串口、电力线载波模块以及手机通信模块等。部分模块内容在智能插座硬件设计中已提及。其手机通讯模块设计中采用TC35/TC35I双频900/1800MHZ高度集成的GSM短信模块。其易于集成，可在较短的时间内花费较少的成本进行产品开发。该模块可以实现集中器中对用户进行报警信息的传送。
3 软件系统实现
智能插座软件程序首先初始化，自身修订ID号，实现与集中器的正确ID对应，等待接收集中器的命令对其作出响应；检测传感器传来的数据，判断是否存在异常情况，进而决定是否向集中器进行报警信号的传送。
集中器上电加载ID及用户设置数据，定时对智能插座进行用电状态检测；接收智能插座传送过来的报警信号，随后向智能插座发送命令对用电器实行断电操作，同时，向用户发送报警信息。
4 现场应用
由于现有市面所售的各类家用电器（例如：冰箱、电视、空调、洗衣机及微波炉等）并不支持电力线载波传输，为了让现有的家用电器支持电力线载波通讯，设计中包含了内部带有电力线载波模块的智能插座，使其可以有效地控制电器的工作状态，并通过计量芯片可以得到其使用电能的数据，同时利用传感器可以检测到一些必要的报警信息。这样通过电力线发送到集中器，并从电力线接收集中器发来的控制命令，对其实现实时控制。系统研制成功后，在实验室对其进行了技术和功能测试，用户可以通过集中器液晶部分察看监控软件界面。测试结果表明，系统运行稳定，达到了较好的实时监控效果。本设计中集中器利用电力线来监控整个家庭中的各类主要电器设备，同时借助手机通讯模块实现家庭外部对内部电器的控制操作，避免了有线通信方式的额外布线，也解决了无线信号穿透墙壁是严重衰减的缺点，具有良好的实用价值。
5 结束语
本文立足于实际，以电力线和无线网络为通信载体，实现电器电量实时计量、电器设備状态监测、家庭安防和报警等功能。该系统是电子、通信、电力等技术结合的产物，适应了智能电网发展趋势，是一种有效的智能家居实现方式。
参考文献：
[1] 李鸿.几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较[J].现代电子技术，2010（3）：143-146.
[2] 花铁森.智能家居系统核心技术探讨[J].智能建筑电气技术，2009（1）：92-98.
[3] 曹建刚，王鸣.基于嵌入式系统的智能家居网络实现[J].安徽工程科技学院学报，2006，21（4）：43-47.
[4] 仲元昌，刘勇，李飞，等.电力线载波通信的远程控制系统[J].重庆大学学报，2010，33（2）：47-50.
[5] 崔娟，李平周，孙磊，等.基于ATT7022B高精度智能电表设计[J].电子科技，2010，23（2）：46-48.
[6] 刘鲲.正交多载波电力线通信及在用电信息采集中的应用[J].集成电路应用，2010（2）：32-37.
关键词：智能插座 集中器 电力线载波 智能家电控制
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-034-02
1 基于电力线载波的智能家电控制系统的应用背景
作为重要的能源基础产业，电力工业对节能减排、绿色能源、可持续发展的实现承担着重要责任和义务。近年来随着智能电网走上历史舞台，智能家电控制将成为未来家居发展的主流。与传统家居相比，拥有智能家电控制系统的新式家居会给人们带来更多的生活享受。它不仅能提供舒适宜人、安全环保的家庭生活空间，而且使家用电器由原本的被动结构转变为具有安全意识的主动个体，提供多角度的信息交换功能，实现家居内部与外部畅通的信息交流。在节能减排的前提下，智能家电控制系统的实现需要较少的经济投入，符合大众人群的经济水平要求。
电力线载波通信（Power Line Communication）是指利用中、低压电力线作为通信介质，实现数据、语音、图像等综合业务传输的通信技术。利用电力线载波通信实现智能家居的网络化控制无需架线，不破坏住宅结构；同时，具有价格低廉、线路遍布整个住宅、连接方便的优势，能够通过电力线将整个家庭中的用电器与智能集中器联为一体，在室内设备之间构建可自由交换信息的局域网，使人们可以通过网络来控制家里的用电设备，成为智能家居走进寻常百姓家的基础。
2 智能家电控制系统的构成
智能家电控制系统的硬件系统由智能插座，集中器，手机终端三部分组成。以电力线载波作为信息传输介质，智能插座采集数据，集中器集中处理数据并发送报警信息及命令，智能插座响应命令执行相应操作。手机终端获得家庭中数据信息，通过设定的命令实现对家电的智能控制。
2.1 智能插座
对用电器进行实时电量计量，采集家庭中温度及煤气浓度；将上述数据传送给智能集中器，由集中器对数据进行集中处理。该智能插座以AVR单片机为处理器，外部扩展电量计量芯片、各种传感器、串口、继电器和电力载波模块。
2.1.1 电量计量模块
电量计量模块实现电压和电流的实时监测。设计中使用ATT7022B三相电能专用计量芯片。该芯片集成了七路二阶sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用方便，该芯片适用于三相三线和三相四线应用。系统设计中根据需要进行单相或三相的电量计量。
2.1.2 传感器
传感器的使用主要有两种：温度传感器和煤气浓度探测器。
温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，其具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为-55℃～+125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
煤气浓度探测器进口优质电化学CO专用传感器，可以检测可燃气体也可以检测有毒气体，当环境中被测气体浓度达到或者超过预置报警值时，会将空气中的气体浓度信号转化为电信号，具有精度高、准确误报率低、功耗小、稳定持久耐用等特点。
2.1.3 继电器
当智能插座检测到用电器电流出现异常，或接收到集中器的断电命令，通过继电器切断用电器的供电。继电器需要足够的电流使其正常工作，不能由普通单片机IO口直接驱动。设计中使用八路达林顿管阵列ULN2803芯片来驱动继电器。
2.1.4 电力线载波模块
电力线载波模块提供数据链路层和物理层的协议服务，负责将数字信号调制成扩频载波信号或将扩频载波信号解调为数字信号，调制后的扩频载波信号在220V交流电力线上传输。
设计中使用的LME2210电力载波芯片集电力线载波通信及CPU于一体。电力线载波通信部分采用先进的正交四载波调制与编码技术，有效对付电网干扰。支持48KHz-500KHz电力线通信专用频段，支持CENELEC-A/B/C/、ARIB及FCC波段，载波频点用户可编程。CPU部分为增强型单周期指令8051兼容内核，并带有32KB片内程序FLASH存储器及48KB RAM，可实现各种PLC通信MAC层协议，单一芯片构建完整的PLC通信节点。
2.2 集中器
收集由家庭网络中各智能插座采集得到的数据；对电量计量数据进行计算及存储，对温度及煤气浓度数据值进行判断，在各种异常情况下，智能插座发出断电操作命令；同时，将报警信息通过无线传输到住户手机中。该部分包括对电量数据的存储和对报警数据进行动作处理、显示、断电及报警，并且根据用户的按键设置对各种参数进行修改。
电路设计上以AVR单片机为主控芯片，外部扩展了矩阵键盘、串口、电力线载波模块以及手机通信模块等。部分模块内容在智能插座硬件设计中已提及。其手机通讯模块设计中采用TC35/TC35I双频900/1800MHZ高度集成的GSM短信模块。其易于集成，可在较短的时间内花费较少的成本进行产品开发。该模块可以实现集中器中对用户进行报警信息的传送。
3 软件系统实现
智能插座软件程序首先初始化，自身修订ID号，实现与集中器的正确ID对应，等待接收集中器的命令对其作出响应；检测传感器传来的数据，判断是否存在异常情况，进而决定是否向集中器进行报警信号的传送。
集中器上电加载ID及用户设置数据，定时对智能插座进行用电状态检测；接收智能插座传送过来的报警信号，随后向智能插座发送命令对用电器实行断电操作，同时，向用户发送报警信息。
4 现场应用
由于现有市面所售的各类家用电器（例如：冰箱、电视、空调、洗衣机及微波炉等）并不支持电力线载波传输，为了让现有的家用电器支持电力线载波通讯，设计中包含了内部带有电力线载波模块的智能插座，使其可以有效地控制电器的工作状态，并通过计量芯片可以得到其使用电能的数据，同时利用传感器可以检测到一些必要的报警信息。这样通过电力线发送到集中器，并从电力线接收集中器发来的控制命令，对其实现实时控制。系统研制成功后，在实验室对其进行了技术和功能测试，用户可以通过集中器液晶部分察看监控软件界面。测试结果表明，系统运行稳定，达到了较好的实时监控效果。本设计中集中器利用电力线来监控整个家庭中的各类主要电器设备，同时借助手机通讯模块实现家庭外部对内部电器的控制操作，避免了有线通信方式的额外布线，也解决了无线信号穿透墙壁是严重衰减的缺点，具有良好的实用价值。
5 结束语
本文立足于实际，以电力线和无线网络为通信载体，实现电器电量实时计量、电器设備状态监测、家庭安防和报警等功能。该系统是电子、通信、电力等技术结合的产物，适应了智能电网发展趋势，是一种有效的智能家居实现方式。
参考文献：
[1] 李鸿.几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较[J].现代电子技术，2010（3）：143-146.
[2] 花铁森.智能家居系统核心技术探讨[J].智能建筑电气技术，2009（1）：92-98.
[3] 曹建刚，王鸣.基于嵌入式系统的智能家居网络实现[J].安徽工程科技学院学报，2006，21（4）：43-47.
[4] 仲元昌，刘勇，李飞，等.电力线载波通信的远程控制系统[J].重庆大学学报，2010，33（2）：47-50.
[5] 崔娟，李平周，孙磊，等.基于ATT7022B高精度智能电表设计[J].电子科技，2010，23（2）：46-48.
[6] 刘鲲.正交多载波电力线通信及在用电信息采集中的应用[J].集成电路应用，2010（2）：32-37.