基于SLH89F5162电力载波的智能家居控制系统

项目名称
        

基于电力载波的智能家居控制系统

选题目的

本项目的选题思想是从智能家居的舒适，绿色，环保的新理念出发，采用电力载波技术（PLC）实现对LED灯进行智能控制，在更大范围内推广了利用智能LED照明，使其跨越能源和地域的限制，让更多的人能够享受到这一创新所带来的方便性、免维护性、即插即用等一系列便利，与此同时更有效地减少了有色金属的消耗，降低了电磁污染。基于这一立项思想，该项目产品将在家庭照明领域逐步进行推广。尤其是随着居民生活水平的逐渐较高，对室内照明的标准要求更高以来，智能LED照明越来越好的体现了其不可阻挡的优越应用性。目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模保持较快增长、照明应用取得较大进展。中国已经发展成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业链逐步完善。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快。因此针对室内照明的发展需求，以及随着国家发改委发布的《半导体照明节能产业发展意见》以来，智能LED在室内趋现了更为广阔的市场前景。

设计（或研究撰写）该项目的基本思路
系统整体设计框图如图所示，本设计充分发挥电力载波近距离通信稳定和LED灯可实现调光、调色控制的特点，通过触摸屏和蓝牙模块的人机对话界面，调节单电力线路上的多盏LED灯的亮度。触摸屏或者蓝牙模块将要调节的LED灯的地址和亮度(包括真彩LED灯)信息通过电力载波发送到电力线路上，电力载波采用窄带直接序列扩频技术，信息传输速率>600bps，电力线路上对应的LED灯接受到相应信息，通过LED控制模块对LED灯进行亮度和开关的控制。户内电力线路和户外电力线路通过陷波器隔离，防止对其他的电力通信设备的干扰。LED灯控制模块不仅可以接受触摸屏控制，还留有GPRS以及可以具有网络模块，可实现远程控制。系统中总控器、终端控制器和灯具分别对应一个地址，这样便于控制器之间进行通信，进而可以实现全部灯、部分灯和单个灯的开关。

主要技术指标：

工作电压：AC85～264V

频率范围：47～63HZ

功率因数（pF)：﹥0.9

总谐波失真（THD)：<20%

电源效率：﹥90%

系统功耗：5W、15W、30W

LED发光效率：≥90 Lm/W
        

项目主要内容：

1.工作原理：

    本项目是以电力线路作为媒介，通过良好的人机界面将调节LED 灯的控制信号利用电力载波的方式发送到电力线路上对应的LED 灯控制器，LED 控制器通过对传入信号的分析和运算来实现对LED 灯的控制。在系统中，总控制器、终端控制器和LED 灯分别设定了独立地址，进而实现对全部灯、部分灯和单个灯的控制。

2.系统总控制器的研究

本项目中，系统总控制器MCU 通过分析人机界面传入的信息来产生对应的控制信号，将该控制信号通过电平转化传入电力载波信号调制模块，转换成可在输电线路上传输的调制信号。在电力线上传输的调制信号以“广播”的形式对所有LED灯进行查询，LED 灯控制器接收电力线上的数据，进行地址比对，如果地址一致，则LED灯控制器将相应的控制信号送给LED 灯，实现对LED灯的控制。本项目中的MCU具备停电记忆和停电保护功能，方便使用者对LED灯的控制。

3.LED 灯控制器

LED 灯控制器是LED灯控制的核心，通过调节开关功率管的通断比来调节输出电流的大小，从而实现对LED灯发光亮度的精确控制。

4.灵活的人机对话界面

采用触摸屏结合按键式开关设计，组合成良好的人机对话界面，通过简单的组合可将部，分连续分布或部分离散分布的LED 灯组合成一组进行集群控制，对该组灯的状态、亮度、色度进行调整。触摸屏控制简单，操作性好，界面控制能用菜单形式并兼容快捷方式，可以实现工作的LED 灯的群开、群关的群控功能。另外，在LED 灯控制模块中还嵌入了GPRS、蓝牙和网络模块，实现了远程控制。

项目实施主要技术关键：

    (1)本项目中，电力载波采用信息传输速率>600bps的63位伪随机编码的窄带直接序列扩频通信方式。由于电力载波在通信距离和数据量上的限制，基于电力载波的LED照明系统主要适用于室内照明控制，即LED灯的开关、亮度和色度调节。根据设计的LED灯电力通讯模式，其数据量分别为12bit和32bit。

    (2) 采用窄带通信方式，因为系统主要用于照明灯具的开关控制和状态查询，数据量不大。

(3)系统采用轮询多点接入方式，轮询方式比较简单，便于软件实现；系统通信信道的占用率不高，没有必要为提高信道的效率而采用复杂的接入方式。

(4) 系统通信差错控制采用自动请求重发方式(ARQ)，由于电力线信道环境的恶劣性，通信过程中不可避免地会出现字节错误，甚至整个数据帧错误，采用ARQ 方式可以保证系统通信的可靠性。

(5) 系统中总控器、中继器、终端控制器和灯具分别对应一个地址，这样便于控制器之间进行通信，进而可以实现全部灯、部分灯和单个灯的开关。系统由上位机、主控器、中继器、终端器几部分构成。

     (6) LED驱动器。LED驱动器的要求非常严格。它必须是高效节能的，必须满足严格的EMI和功率因数规格，并能安全地耐受各种故障条件。其中最为困难的要求之一是要有调光功能。由于LED灯的特性与专为白炽灯所设计的调光控制器之间存在不匹配，因此容易造成性能不佳。问题可能表现为启动速度慢、闪烁、光照不均匀、或在调整光亮度时出现闪烁。此外，还存在各个单元性能不一致以及LED灯发出可闻噪声等问题。这些负面情况通常是由误触发或过早关断控制器以及LED电流控制不当等因素共同造成的。

    (7)在本项目中，为了实现对全部灯、部分灯和单个灯的控制，必须对系统中总控制器、终端控制器和LED灯分别设定了独立地址。通过电力载波信号调制模块加载LED灯控制信号，以“广播”的形式对控制区域内所有LED灯进行查询，LED灯通过LED灯控制器接收电力线上的数据，经校验无误后，进行地址比对，如果地址一致，LED灯控制器则产生相应的亮度、状态控制信号送入LED灯，从而实现对LED灯的控制。在LED灯控制算法最重要的两个因素：地址和控制信号。对应的LED灯的地址，实现相应的调节。因此，需要在电力载波通信协议中加入LED灯的地址以及控制信号，协议包括起始位(1位)、通信数据(30位)、校验位(1位)。其中，通用数据又可以分为地址信号和控制信号，地址信号可以根据室内需要控制的LED数来选择地址信号的位数；控制信号包括开关状态和光强编码，开关状态占用1位，用来控制LED灯的开关，光强编码用来控制室内LED灯的色度和亮度。

项目的科学性、创新性和实用性

科学性：

将电力线载波（PLC）技术与家用智能LED控制相结合可以直接利用家庭原有的电力网，直接对家里的所有LED灯进行智能控制，避免了重新架设通信网络，具有极大的方便性、免维护性、即插即用等优点，并减少了有色金属的消耗，降低了室内的电磁污染，体现了智能家居的舒适，绿色，环保的新概念。

创新性：

1.采用了单总线照明控制系统的设计，既传输了电力，又实现了对LED灯群的控制。在保证电力线足够负荷的情况下，可以实现几路、几十路的LED灯的状态、亮度或色彩的高精度调节。2.在LED 灯控制模块中嵌入了触摸屏、GPRS、蓝牙和网络模块，使得该系统具备了良好的远程控制能力。

3．采用了窄带直接序列扩频通信方式下LED电力载波通信协议的设计。

4．本项目能通过android系统或者苹果手机（Mac OS X系统）发出指令，通过蓝牙中继，能在数十米甚至数百之外对LED灯群进行实时控制。

5．本项目中引用了远程监控和可授权管理模式。借助远程监控和授权管理模式不仅便于用户对LED照明系统的管理，而且可以远程实时监控LED等的运行状况。



实用性：

本项目中提出的基于电力载波的LED照明控制器具有强大的网络化控制功能，它不但没有复杂的控制线缆，而且布线、安装和使用都比传统的开关更加简单。该系统以电力线路作为控制信号传输的媒介使得控制无处不在，任意一点可以控制整个网络，整个网络可以控制任意一点。因此，该系统除了适合于小型住宅外，尤其适合于别墅、地下车库等大面积住宅。而且可以按客户要求对灯进行色彩以及灯的亮度的调节，这种功能使得该系统还可以用于大型歌舞厅，以及娱乐色彩较浓的舞台设计等多种场合。