基于PLC的智能家居系统的关键技术研究及实现

摘要

随着电子信息技术、自动控制技术、传感器组网等技术的迅猛发展，人民的生活水平不断提高，互联网对人们衣食住行等方面的影响越来越大。目前，传统的家电设备已无法满足人们对家居生活智能化、人性化、舒适化等一系列的要求。因此如何便捷地通过互联网对家电设备进行远程监视和控制并形成一套完整的智能家居系统成为近几年的研究热点。
　　组建智能家居网络的媒介多种多样，可将其分为两大类:无线方式和有线方式。无线方式主要包括蓝牙、红外线及ZigBee等，但是随着生活中各种无线设备的普及，人们日益关注无线辐射对身体造成的潜在影响。因此，以电力线、电话线、同轴电缆等为代表的有线方式会有更大的发展空间，尤其是电力载波通信有着无需再次布线、成本低、适合旧有房子的智能化改造等优点。针对现有智能家居中组网方式的优缺点，提出了基于WiFi和低压电力载波通信的智能家居系统设计方案，解决了以往的电力载波通信系统不易于连入互联网以及不易于在手持终端上实现集中控制的问题。
　　由于电力线的设计初衷是传输电能，并不是专门的信号传输介质。针对将其作为信号传输通道时，阻抗特性难定，噪声干扰强，信号衰减严重及多径干扰等特点，分析了低压电力线的相关特性并建立了实用的信道模型，模型涵盖了电力线信道上众多的信道特征，有利于加深对电力线信道的理解，为以下章节调制解调技术的研究、仿真设计参数的选取打下了基础。然后针对可用于电力载波系统中的传统调制技术、扩频通信以及正交频分复用等技术，进行了仿真设计和参数对比，研究表明: OFDM技术是在低压电力配电网上实现高速数字传输的理想选择。
　　针对电力线信道中符号间干扰、多径效应等问题，在电力载波芯片HT8560C原有调制机理的基础上，结合OFDM系统调制与解调原理，重点研究了理想同步情况下，加循环前缀前后和不同的信噪比对OFDM系统性能的影响，研究表明:加入循环前缀虽然会损失一定的功率并影响信息的传输速率，但可以消除符号间干扰，并能显著提高对多径干扰的抵抗能力。而且随着输入信噪比的增加，系统的误码率降低，性能得到提升。
　　最后，利用实习公司资源，基于电力载波芯片HT8560C在硬件方面设计了智能AP、智能开关等终端模块，软件方面编写了硬件驱动软件、上位机客户端软件及基于ANDROID的客户端软件等，最终形成了一套完整的基于WiFi和低压电力载波的智能家居系统并对系统的通信距离、抗干扰性及整体的通信效果进行了测试，测试结果表明:该系统实现了对家庭设备的远程监视和控制，并且在实时性、可靠性及通信距离等方面可以满足智能家居的要求。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 智能家居系统概述

1．2 智能家居的国内外发展现状

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内发展现状

1．3 智能家居传输媒介及电力载波通信介绍

1．3．1 智能家居传输媒介及组网方式

1．3．2 电力载波通信的发展及应用

1．4 论文主要研究内容及章节安排

第二章 智能家居设计中PLC通信信道模型的建立

2．1 低压电力载波通信的基本原理

2．2 低压电力载波通信信道特点

2．2．1 低压电力线上阻抗特性分析

2．2．2 低压电力线上噪声特性分析

2．2．3 低压电力线上信道衰减特性分析

2．2．4 信道模型的建立

2．3 电力载波通信调制技术

2．3．1 传统电力载波通信理论

2．3．2 扩频载波通信技术

2．3．3 正交频分复用技术

2．3．4 几种调制技术的比较与选择

2．4 本章小结

第三章 OFDM技术在电力载波通信中的应用研究

3．1 OFDM技术的应用及载波芯片的选择

3．1．1 OFDM技术的应用

3．1．2 电力载波芯片的选择

3．2 OFDM技术原理及关键技术

3．2．1 基于IFFT／FFT的OFDM系统模型

3．2．2 OFDM信号的频谱特性

3．2．3 OFDM系统的调制与解调

3．3 循环前缀及信噪比对系统性能的影响分析

3．3．1 循环前缀对系统性能的影响

3．3．2 信噪比对系统性能的影响

3．4 本章小结

第四章 基于PLC的智能家居系统的设计与实现

4．1 智能家居系统的总体设计

4．1．1 系统的总体设计原则

4．1．2 系统预实现的主要功能

4．1．3 系统的组网方式

4．2 系统的关键硬件及电路设计

4．2．1 电力载波通信终端的设计

4．2．2 AP模块的设计

4．2．3 电力载波终端模块的应用

4．3 硬件驱动软件的设计

4．3．1 应用层功能概述

4．3．2 载波处理流程

4．3．3 载波芯片中动态路由算法

4．4 智能家居控制协议的设计

4．4．1 通用协议

4．4．2 控制灯协议的例举

4．5 基于Android的控制终端软件的设计

4．5．1 终端控制软件结构图

4．5．2 账号管理模块设计

4．5．3 设备管理模块设计

4．4．6 AP模块管理设计

4．6 系统展示与测试

4．6．1 系统的硬件测试

4．6．2 系统的软件测试

4．6．3 系统的展示与结果分析

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明