摘 要： 考慮到智能家居的特點和需求，采用無線ZigBee傳感器網絡和電力線載波通信相結合的技術，既可以實現ZigBee低功耗、低成本和靈活的組網能力，通過電力載波技術又可以使現有的家庭電力線成為通信信道。通過這兩種技術的結合，實現了兩種技術的優勢互補，為建設高效節能的家居系統提供了一種現實可行的好方案。
關鍵詞： 智能家居；ZigBee；電力載波通信；節能
隨著GPRS遠程通信技術、Ad hoc網絡和無線網絡技術的不斷發展以及人們對居身環境的要求不斷提高，舒適、方便快捷和安全的家居環境開始被人們所追求，家居智能化已經成為必然的趨勢。目前國內外都對智能家居進行了廣泛深入的研究及其建設[1-7]。其中參考文獻[1]提出一種基于ZigBee的智能自我調整傳感器，為的是解決智能家居中設備的性能和功耗的權衡問題，實驗結果表明該系統節能效果不錯。ZigBee通信技術具有低功耗、低速率、低成本的雙向通信等特點，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間數據傳輸的應用[3]。電力線載波通信PLC（Power Line Communication）是電力系統特有的通信方式，它是利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。電力載波技術有其自身的一些局限性，如配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，不同的信號耦合方式對電力載波信號損失不同，電力線上的固有的脈沖干擾對信號的高度削減[7]。但是電力載波技術有更好的擴展性、更高的可靠性、較好的抗干擾能力等ZigBee技術不能取代的特點，同時由于電力線布于墻內，硬件相對更安全，不易損壞[8]。基于ZigBee技術和電力載波通信技術的不同特點，并考慮到智能家居節能的需求，本文把這兩種技術同時應用在智能家居系統中，實現兩種技術的優勢互補，從而為建設高效節能的家居系統提供了一種現實可行的良好方案。
1 整體系統方案設計
1.1 智能家居系統的組成
該智能家居系統主要由觸摸屏控制、網關、ZigBee無線網絡和電力線載波通信4部分組成。其中，觸摸屏控制是主控部分，是整個系統的核心，用于控制信息的發送并且顯示家居系統中的信息。網關用于在觸摸屏控制和無線網絡之間傳遞信息。ZigBee無線網絡和電力載波負責發送設備信息和傳遞控制信息到各個設備，信息的發送通過與觸摸屏控制模塊相連的ZigBee節點和電力線來完成。觸摸屏控制模塊采用ARM嵌入式系統，分為硬件平臺和軟件平臺兩部分，其中硬件平臺采用ARMCortex-M0+處理器及外圍設備組成，負責各種數據運算和GUI的處理，軟件平臺由嵌入式Linux操作系統和應用軟件組成。智能家居整體結構圖如圖1所示。該系統可以方便地控制照明燈、窗簾、家用電器等設備以及煙霧、紅外檢測、攝像監控等[9]。
1.2 系統控制模塊
智能家居控制器是整個系統的核心，其作用是管理、控制和與外部網絡通信。通過用戶發出的觸摸屏操作指令執行相應的家電管理控制功能，在必要時可啟動報警系統并通過GSM/GPRS向用戶和保安室發送警情消息，并且連接用戶所需要的各種通信接口，以達到智能家居方便快捷的通信目的。系統控制方案如圖2所示。
該控制器采用ARMCortex-M0+作為處理器，ARMCortex-M0+是現有的最節能的ARM處理器。它構建在非常成功的ARMCortex-M0處理器的基礎上，保持其完整的指令集和工具的兼容性，進一步降低能耗和提高性能，擁有一個優化的兩階段核心管道架構，使Cortex-M0+處理器實現能耗僅11.2 μW/MHz（90 LP進程，最小的配置），而性能提高至1.77 CoreMark/MHz，因而特別適用于智能家居系統。
1.3 網關
網關用于觸摸屏控制部分和ZigBee無線網絡、PLC部分之間傳遞信息。由于主控芯片ARMCortex-M0+處理器并沒有實現ZigBee協議的功能，為了能與ZigBee設備進行通信，還需要在系統中實現網關功能。考慮到串口具有操作方便、協議簡單的特點，因此在網關接口使用串口進行連接。
2 ZigBee無線網絡技術
2.1 硬件選擇
本系統采用TI公司的CC2530芯片，該芯片是用于2.4 GHz、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案，能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器，增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8 KB RAM和許多其他功能。外圍包括通用I/O口、A/D轉換接口、SPI口以及串口等資源豐富的接口，還配置了一個高性能射頻收發器。ZigBee無線網絡主要由協調器、路由器、智能終端以及遙控器等構成，ZigBee無線網絡系統如圖3所示。
2.2 ZigBee組網設計
采用樹簇型網的方式進行組網[9]。因為這種組網可以讓設備節約功耗，當網絡處于空閑的時候，處理器便進入休眠模式，這樣電池的壽命將會得到延長[9]。協調器是整個網絡的中心，主控制器就屬于此類節點。路由器主要用于數據的接收、轉發。終端指的是家庭中照明燈、門窗以及各種智能家電設備。ZigBee無線網絡用于發送設備信息和傳遞控制信息到各個設備，所有信息的發送都是通過與觸摸屏控制模塊相連的ZigBee節點來完成。ZigBee無線網絡技術主程序流程圖如圖4所示。
3 PLC技術
PLC技術的最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線就能進行數據傳遞，所以用于智能家居通信非常便利。將照明燈、電話、電視、空調等一系列家用電器利用電力線連接起來通過PLC實現智能設備之間的通信與控制，結合ZigBee無線網絡中的傳感器、探測器、智能手機終端及一些不便于連入電力線的設備，實現了家居的智能化。
3.1 電力線載波通信模塊設計
選用MAX2991電力載波芯片，它是一款性能優異的集成芯片，可以有效降低整體系統成本。MAX2991是專為利用電力線傳輸的OFPM調制信號而設計的電力線通信模擬前端（AFE）。MAX2991收發器提供兩個主要通道：發送（TX）通路和接收（RX）通路。發送通路將OFDM調制信號注入交流或直流線路，接收通道用于信號增強、濾波和接收信號數字化。配合MAX2990PLC基帶調制解調器，提供當前市場上性價比最高的電力線網絡數據通信方案。PLC系統模塊的硬件框圖如圖5所示。
4 系統軟件
本系統采用Linux操作系統，因為Linux內核是采用模塊化設計的一種自由和開放源碼的操作系統，并以靈活性和高效性著稱，具有字符界面和圖形界面，支持多用戶、多任務、多線程，且保證各用戶之間不受影響。在此刪除了其中冗余的功能模塊，減少代碼數量，降低系統時延，寫入了需要的底層驅動，而且Linux操作系統支持Internet協議及其他通信協議，這樣就不需要增加額外的協議轉換器。系統軟件流程如圖7所示。
本文通過綜合考慮ZigBee和PLC技術應用于智能家居中的優勢和不足，把這兩種技術同時應用在智能家居系統中，通過主控器可以對智能家電進行實時有效的控制，該方案實現了兩種技術的優勢互補，既可以實現ZigBee的低功耗低成本和靈活的組網能力等特點，又避免了使用傳統智能家居數據線與電力線分離的繁瑣布線過程，同時也對老式住宅改造為智能家居提供了極大便利，充分體現了智能家居節能減排這一宗旨。因此，基于ZigBee和PLC技術的智能家居方案具有一定的現實意義和研究價值。
隨著IEC61850標準在智能電網中的應用越來越成為研究熱點，相信IEC61850標準必將應用于智能家居系統，最終實現整個智能電網的標準化、智能化、通信協議的一致性。
參考文獻
[1] BYUN J， JEON B， NOH J， et al. An intelligent self-adjusting sensor for smart home services based on ZigBee communications[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2012，58（3）：794-802.
[2] HAN D M， LIM J H. Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2010，56（3）：1403-1410.
[3] 羅正軍，羅鵬輝，王曉娟，等.基于Linux系統和ZigBee的智能家居系統[J].現代電子技術，2012，35（1）：37-39.
[4] 王麗麗，齊賽，朱琳琳.基于嵌入式Linux智能家居監控系統的設計[J].電子設計工程，2012，20（3）：92-93.
[5] 嚴萍，張興敢，柏興超，等.基于物聯網技術的智能家居系統[J].南京大學學報（自然科學版），2012，48（1）.
[6] 董素鴿，李華.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].河南科技，2012（1）：59-60.
[7] 孫萍，馬維華.基于電力載波通信的家電控制系統設計與實現[J].微型機與應用，2012，31：23-26.
[8] 王力棟，張峰達，梅倍楨.基于ARM和電力載波的智能家居設計[J].電子產品世界，2012（1）：38-39.
[9] 王堅鋒.基于ZigBee的智能家居系統研究[J].電子世界，2012（1）：105-106.