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一、電力線通信技術概述

電力線通信技術(PLC)是把載有信息的高頻加載于電流，用電力線傳輸，通過調制解調器將高頻信號從電流中分離出來，傳送到計算機或其他信息家電，以實現信息傳遞的一種通信方式。目前PLC技術已經形成寬帶接入型與家庭網絡型兩種發展模式，家庭網絡型是指通過電力線在用戶家中組建高速LAN。這種模式的PLC只提供家庭內部聯網，即通過家庭的內部的普通電力線，進行組網連接家庭內部局域網。電力線通信技術有以下優點：信息家電可以通過電力線進行通信，無需另外布線，利用電源線實現智能家居網絡成本較低；電力網是覆蓋范圍最廣的網絡，PLC技術可以輕松地滲透到每個家庭，其應用范圍廣泛；網絡的接入點是電源插座，電源插座隨處可見，數目較多且接插方便；不需要撥號，接入電源插座即接入網絡；電力線載波通信較容易實現自動抄表、家居監控等功能。利用電力線載波通信技術實現智能家居網絡最方便。

二、電力線智能家居網絡的關鍵問題

2.1載波技術1)正交頻分多路復用技術。低壓電力線載波信道的傳輸特性的特點是具有時變性，衰減較大，而且各種干擾噪聲復雜。為提高電力線網絡的傳輸質量，電力線通信大都采用正交頻分多路復用技術(OFDM)進行調制。即將串行數據轉化為N個并行數據分配給N個不同的正交子載波，實現并行數據傳輸。這樣既可得到很高的數據傳送速率，又能夠有效地抑制碼間干擾。應用OFDM技術于電力線通信中具有明顯的優越性。OFDM頻帶不僅利用率高，而且抗干擾性強，可以克服電力線上固有的高噪聲、多徑效應和頻率衰減等現象，有效利用現有低壓電力線實現高速數字通信。2)擴展頻譜調制技術。這一技術的抗干擾和抗多徑效應也較強。因此，也有一些廠家采用這種技術開發電力通信產品。擴展頻譜調制技術在相對較寬的頻帶上擴展了信號頻譜，降低了信號的功率譜密度，降低了電磁輻射，削弱了對其他通信系統的干擾。而且接收端通過窄帶濾波技術提取有用信號，信號的信噪比很高，抗干擾性增強。另外，擴頻通信可以實現碼分多址。對于1Mbps左右的系統，應用擴頻技術就可以完全滿足傳輸容量的要求，且其設備簡單，擴頻調制方式較為經濟。當傳輸速率要求在10Mbps及以上時，擴頻技術實現起來較困難。在10Mbps及以上傳輸速率宜采用OFDM調制技術。

2.2網絡控制技術目前，家庭自動化網絡標準有許多種，較為成熟的有X210、CEBus和LonWorks等。1)X210是最早應用于家庭設備自動控制系統的。X210的控制模式為主從控制模式，信息是單向傳輸的，從控點只能接收主控點發來的信息，不能反饋。X210的系統信息的傳輸較慢(傳送一個指令需時0.883s)，抗干擾性能差，可用節點數為256個，只能用于普通家庭中的簡單控制和專項控制。但其價格十分低廉，而且安裝使用較方便，如僅組建一個簡單的家居智能網絡，可以考慮X210技術。2)CEBus是一個較完整的開放系統，美國電子工業協會(EIA)于1992年正式推出，并定為IS260/EIA2600標準。它定義了在幾乎所有傳送媒體(Medium)中信號的傳輸標準，并要求控制信號在所有的媒體中都要以相同的傳送速度(10Kbps)傳送，從而有效地避免信號傳輸中可能出現的“瓶頸”問題。CEBus的抗干擾能力比X210強，控制功能亦十分豐富。但接口技術比較復雜，價錢較貴，在中國的應用不多見。3)LonWorks是由美國Echelon公司于1990年12月開發成功的全分布式智能控制網絡技術。1997年8月，被EIA的集成家庭系統技術委員會定為家庭網絡(HomeNetworking)的標準。Lon2Works完全支持OSI的7成協議，具有良好的開放性、互操作性，其網絡系統組成以分布控制為控制模式。對于網絡家電來說，只需要將已定義的的網絡家電之間信息傳遞的語法和語義標準在應用層實現后，就能夠實現不同廠商之間產品的相互兼容。LonWorks的分布式架構使其具有獨立性，部分節點的故障不會造成系統癱瘓。LonWorks最基本的部件是同時具有通信與控制功能的神經元芯片，具有很強的通信能力和一定的數據處理能力。其抗干擾能力很強，其可靠度是這三種網絡控制技術最高的(約99.8%)，并具有完善的開發系統和工具。LonWorks的分布式架構，每一個控制裝置都可以有隨插即用的功能，減免了二次拉線造成的成本，并避免了重新布線的不便。LonWorks可擴展性強，在將來對系統升級時，可充分利用原有資源，降低升級的復雜性及成本。上述三類家庭自動化網絡技術都是各有其特點，組網時可根據實際情況進行選擇。但如果要組建一個統一的、操作性強、功能完善、可靠性高、可擴展性強的家居智能網絡，采用LonWorks技術是一個明智的選擇。

三、電力線智能家居網絡的組成

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1系統的總體結構及工作過程

智能家居系統由系統主機、系統分機、Internet服務器和網絡接口等部分組成。其中系統主機通過服務器（個人計算機）連入Internet，并通過自己的PSTN公用電話交換網接口電路連入PSTN。其結構圖如圖1所示。主機與分機通過無線傳輸組成星形拓撲結構。系統主機通過本地無線傳輸網絡同系統分機進行通訊、傳輸控制命令和反饋信息。

該系統正常工作時，用戶可以通過Internet和PSTN兩種網絡進行訪問，當通過Internet訪問時，本系統可提供一個界面友好的終端軟件，用戶只需登陸到運行在家中的服務器即可對家中的設備進行遠程控制；當通過PSTN訪問時，本系統將為用戶提供語音操作界面。其工作流程如圖2所示。

2系統的硬件構成

本系統的硬件主要有系統主機與系統分機兩大部分。系統主機由單片機AT89C52和各種接口電路組成，如圖3所示。系統分機由單片機AT89C52和各種接口電路、傳感器單元電路、固態繼電器控制電路組成，并由固態繼電器控制具體設備，具體硬件組成框圖如圖4所示。

通過系統主機的各種接口電路可將主機CPU從繁忙的計算中解脫出來，以便把主要精力運用在控制和信息傳遞上。系統主機主要依照各個功能電路的輸出結果進行邏輯判斷和控制命令的輸出。系統分機的各種接口電路和主機相似，只是根據設備的不同（傳感器單元）有著細節上的變化。下面主要介紹系統主機的各種接口電路。

2．1nRF401無線數據傳輸電路

無線數據傳輸電路由Nordic公司的單片UHF無線數據收發芯片nRF401及其電路構成。nRF401采用FSK調制解調技術，其工作效率可達20kbit／s，且有兩個頻率通道供選擇，并且支持低功耗和待機模式。它不用對數據進行曼徹斯特編碼，其天線接口設計為差分天線，因而很容易用PCB來實現。

2．2看門狗電路

看門狗電路由MAX813L及其元件組成。通常，在單片機的工作現場，可能有各種干擾源。這些干擾源可能導致程序跑飛、造成死機或者程序不能正常運行。如果不及時恢復或使系統復位，就容易造成損失。看門狗電路的作用就是在程序跑飛或者死機時，能有效地使系統復位以使系統恢復正常運轉。因此，在程序中定期給P1．5送入看門狗信號，就可以保證在程序運行異常時，由MAX813L使單片機復位。

2．3DS1307時鐘接口電路

DS1307時鐘芯片是美國DALLAS公司生產的I2C總線接口實時時鐘芯片。DS1307可以獨立于CPU工作，它不受晶振和電容等的影響，并且計時準確，月積累誤差一般小于10秒。此芯片還具有掉電時鐘保護功能，可自動切換到后備電源供電。同時還具有閏年自動調整功能，可以產生秒、分、時、日、月、年等數據，并將其保存在具有掉電保護功能的時間寄存器內，以便CPU根據需要對其進行讀出或寫入。由于單片機AT89C52沒有I2C總線接口，因此，要驅動DS1307，就必須采用單主機方式下的I2C總線虛擬技術。在此方式下，以單片機為主節點（主器件），主器件永遠占有總線而不出現總線競爭，且可以用兩根I／O口線來虛擬I2C總線接口。I2C總線上的主器件（單片機）可在時鐘線（SDL）上產生時鐘脈沖，在數據線（SDA）上產生尋址信號、開始條件、停止條件以及建立數據傳輸的器件。任何被選中的器件都將被主器件看成是從器件。在這里，DS1307作為I2C總線的從器件。I2C總線為同步串行數據傳輸總線，其內部為雙向傳輸電路，端口輸出為開漏結構，因此，需加上拉電阻。

2．4MT8880C雙音頻編解碼電路

由于單片機是通過MT8880C芯片得到PSTN網絡的雙音頻信號解碼輸出，也就是說，單片機可以識別來自PSTN網絡的控制信號，用戶可以根據系統的語音提示進行按鍵選擇以實現用戶身份的識別與遠程控制。因此，利用MT8880C的雙音頻編碼功能，系統可以在緊急時刻將用戶預置的緊急電話打到PSTN網絡，從而把損失減少到最低。

2．5ISD4004語音錄放電路

ISD4004是美國ISD公司生產的一種語音錄放芯片。它可錄制8～16分鐘的語音信號。該芯片可提供SPI標準接口和單片機進行接口，其語音的錄放控制均通過單片機來實現。該芯片的一個最大特點是可以按地址編程錄放，因而可由ISD4004和單片機編程控制來構成本系統與PSTN網絡用戶的語音平臺。由于ISD4004的INT和RAC腳輸出為開漏結構，因此需要加上拉電阻。

2．6MAX202串行通訊電路

通訊電路可由串行通訊專用芯片MAX202組成，通過此電路可以方便地與PC機進行串行通訊。

2．7鈴流檢測與摘掛機控制電路

當系統被呼叫時，電話交換機發出鈴流信號。振鈴為25±3V的正弦波，失真小于10％，電壓有效值為90±15V。振鈴信號以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。由于振鈴信號電壓比較高，所以先要通過高壓穩壓二極管進行降壓，然后輸入至光耦。再經光耦隔離轉換后，從光耦輸出時通時斷的正弦波，最后經RC回路進行濾波以輸出標準的方波。該方波信號可以直接輸出至單片機的定時器1進行計數，以實現對鈴流的檢測。

由于程控電話交換機在電話摘機時電話線回路電流會突然變大（約30mA），因此，交換機檢測到回路電流變大就認為電話機已經摘機。自動摘掛機電路可以通過單片機的P1．7來控制一個固態繼電器，固態繼電器的控制端應連接一個大約300Ω的電阻后再接入電話線兩端，從而完成模擬摘掛機。

3系統軟件編制

本系統軟件主要由系統主機和系統分機的C51程序和系統與Internet網絡通訊程序組成。

3．1系統主機程序的編制

系統主機程序主要用于實現系統的總體功能。包括無線數據傳輸程序、看門狗程序、時間戳程序、雙音頻編解碼程序、語音錄放程序、串行通訊程序、鈴流檢測與摘掛機控制程序、系統初始化程序、意外事件處理程序等。程序編制以消息驅動為主導思想。消息由計數器中斷1、外部中斷0和串行中斷產生，在中斷服務程序中，應將相應的狀態位置位，而在消息循環中則應按相應的狀態位調用功能函數，然后由功能函數將相應的狀態位清0并完成所需功能，并最后返回到消息循環中。其程序流程如圖5所示。該系統的分機程序和主機類似，故此不再詳述。

3．2系統與Internet網絡通訊程序的編制

這部分通訊程序分為服務器和客戶端兩個程序，主要通過Internet網絡完成用戶的控制功能。

服務器程序主要完成客戶端與系統主機通訊的中轉，即將客戶端發來的控制或者查詢命令翻譯成系統主機能識別的格式，或者將系統主機收到的報警等信息上傳到客戶端。服務器程序使用Socket與客戶端進行Internet通訊。

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一、智能家居的概念

智能家居別稱智能住宅，英文名稱為“Smart Home”。其是一個以住宅為平臺，兼備建筑、自動化，智能化于一體的高效、舒適、安全、便利，安裝有智能家居系統的居住環境。智能家居集成是利用網絡通信技術、綜合布線技術、安全防范技術、音視頻技術、自動控制技術將家居生活有關的設備產品集成。它的目標是通過互聯網等信息通信技術手段，通過遠程控制終端來實現對家居電器等的智能控制，使其能夠按照人們的意愿設定工作運行，而不論距離的存在。智能化是智能家居的兩大特點之一，其另一大特點就是遠程控制。隨著互聯網技術的快速發展，特別是無線網絡技術的發展，互聯網智能家居系統可提供遙控、家電控制、防盜報警、電話遠程控制、計算機控制等多種功能和手段，讓生活變得更加舒適、簡單和安全。

智能家居因為受產品生產商的限制。使其短時間內無法實現統一的標準協議，所以一般都是一個商家單獨做系統研發方案的。其中比較具有影響力的一次是2007年微軟推出的“未來之屋”的一個方案，是物聯網技術應用于日常家居生活的一個典型案例。當人們進人房屋時，安全系統會對進入者的面部進行掃描，確認身份后才會打開房門。冰箱的液晶顯示器能夠智能的列出保存的食物清單，廚房水槽可以能夠根據使用者身高不同而調節高度，而排風機可以檢測油煙濃度，已作出是否需要開啟的決定。除了這些，每個房間的裝修風格墻、壁顏色和溫度，都可以根據使用者的喜好自由更換。

二、國內外智能家居發展狀況

智能家居起源于20世紀80年代初，隨著大量電子家用電器的面市，家居生活電子化開始實現；80年代中期，通過把家用電器、安全防范設備與通信設備各部分獨立的功能用途整合成一體，形成了家居生活自動化的概念；到80年代末，隨著通信信息技術的快速發展，出現了利用總線技術把家居生活中各種家電、通信、安防設備進行管理與監控的商用系統，其在當時被美國稱為Smart Home，也就是現在智能家居的雛形。智能家居進入21世紀后，其發展是多樣化的，技術實現的方式也更加豐富了?？偟膩碇v，智能家居發展過程大概包括四個階段。第一階段主要是利用兩芯線、同軸線進行家庭組網，實現了窗簾、燈光控制等功能。第二階段主要利用RS-485線、部分利用IP技術進行組網，實現安防、可視對講等功能。第三階段實現了家庭智能控制的系統化，控制主機產生，功能包括控制、安防等業務。第四階段全部利用IP技術，末端設備利用zigbee等技術，智能家居功能提供采用“云”技術，達到了可以根據用戶需求實現個性化，以及定制。近年來，物聯網成為了全世界關注的熱點話題，全球公認為其是繼互聯網之后最有價值的科技創新。物聯網通過射頻識別（RFID）、全球定位系統、紅外感應器等信息傳感設備，按制定的協議把所有物品與互聯網連接起來進行信息通訊以及交換，來實現智能化跟蹤、管理、識別、監控和定位。物聯網的科技創新也為智能家居引入了新的定義，也擴大了其展領域。

在國內開發智能家居的公司中，其家庭內部組網中多采用有線方武（如X-10），但是利用無線通信的。 大多是自己制定簡單的協議，并沒有使用比較成熟的比較適用于智能家居的協議。國內早期典型的智能家具系統有：海信的智能家居控制系統、科龍集團研制的智能網絡家居系統等。他們的產品因為帶有不同的標準，為產品的相互兼容帶來無法避免問題。2005年6月，以海爾為首的 “e家佳”和聯想牽頭的“閃聯”同時被信息產業部確定為推薦性標準，從而拉開了數字家庭競爭的序幕。到目前為止，智能家居系統的發展有了很大的進展，其功能也越來越多樣化，其產品的兼容性問題也得到了很大的改善。

三、智能家居的特點

1、節約能源：在不需要時，能源系統可以自動關閉，這樣可以減少能源的浪費，減低使用能源的費用。

2、操作方便：智能家居系統提供遠程遙控接口。智能家居系統還可以把重復的工智能化。在您外出時，還可以控制家電。

3、安全性高：智能家居系統在緊急情況下可以防御壞人或報警。您可以在任何地方可以監控家里的安全狀態，這樣可以保證您住宅的安全。

4、改變生活方式：您可以在家辦公，進行遠程會議，孩子在家里上課，主婦在網上逛街等。生活中的大部分都可以利用互聯網在家進行，不受時間地域的限制。智能化的生活工作方式與以往的生活工作方式有了很大區別。智能家居可以給人們帶來更為簡單快捷的生活，在現在這個生活、工作節奏越來越快的社會，智能家居也可以為人們減少繁瑣家務、節約時間，讓人們有時間去休息，去教育子女，去鍛煉身體和進修，使人們的生活工作質量有了很大的提高。

四、智能家居的控制

智能家居應該不需要依賴復雜的集成和布線，而是能夠感知環境、感知人，并且隨著互聯網和物聯網的發展，人與物、物與物的溝通將變得不再困難。手機不應該是控制器，而應該只是這些“管家們”和人溝通的一個管道。智能家居控制系統是由各個子系統通過網絡通信系統組合而成的，要根據需要，減少或者增加子系統，以滿足需求。另外，可以設置各種控制模式，如離家模式，回家模式，下雨模式，生日模式，宴會模式，節能模式等，極大滿足生活品質需求，即插即用，特別用無線的方式，可以快速部署系統。

通過上述內容簡要介紹了智能家居設計的內容，分析了其在國內外發展的現狀，詳細指出了其特點與有效控制形式，希望通過本論文能推動智能家居的發展。

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1 無線傳感器在國內外應用現狀

最近幾年，尤其是無線通信、集成電路和傳感器等技術的飛速發展，使得大批低成本、低功耗、多功能的無線傳感器占據了大量的市場。而隨之發展的還有無線傳感器網絡。無線傳感器網絡近幾年來在世界上有著廣泛的應用市場。它不僅僅是在在工業、農業、軍事、環境、等傳統領域取得了巨大成就，還在醫療和護理領域也得到了快速發展。羅徹斯特大學的科學家根據室內的微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術。利用無線通信技術將獲得的數據進行整合，并且根據這些信息進行護理，從而減輕護理人員的工作量?；跓o線傳感器應用優勢及其發展大潮，為我們研究的健康體檢系統提供了支撐和動力。

2 基于無線傳感器網絡的健康體檢系統

2.1 功能及設計

本系統主要是通過無線傳感器進行健康監測。通過表面粘貼的傳感器作為神經系統使用，來對使用者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）進行測量。通過無線傳感器網絡進行數據獲取和整理，系統對用戶提出幫助和解決問題。根據已經檢測的數據分析健康狀況并給予合適的意見，可以通過圖標等形式顯示在智能終端。

2.1.1 通過無線傳感器網絡進行數據獲取和整理

無線傳感器網絡通常由大量密集部署在某個監測區域的傳感器節點以及一個或多個位于區域內或區域附近的數據匯聚節點組成。這些傳感器節點體積小，但配備有傳感器、嵌入式微處理器和無線收發器等器件，集信息采集、數據處理和無線通信等功能于一體，能夠通過無線通信和自組織方式形成網絡，可以檢測和處理監測區域內的各種環境數據或目標信息，并將所監測到的數據和信息傳送給匯聚節點，從而協作完成指定的監測任務。同時，傳感器節點還可以通過匯聚節點作為網關，與現有的網絡基礎設施（如互聯網、衛星網、移動通信網等）建立連接，使遠程的監控中心或終端用戶能夠使用采集到的數據和信息。該系統以智能終端設備的Android操作系統平臺，用戶通過手機與無線傳感器網絡建立聯系，將無線傳感器處理后的數據反映到手機中，讓用戶可以隨時查看健康狀況。

2.1.2 無線傳感器進行健康監測

通過表面粘貼的傳感器作為神經系統使用，來對使用者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）進行測量。該系統在腕環設備中嵌入半導體傳感器，幫用戶隨時了解自己的狀況，利用無線通信傳遞必要的信息，來感知和預報身體狀況。

2.1.3 無線傳感器系統對用戶提出幫助和解決問題

根據已經檢測的健康狀況，在后臺數據庫進行對比查找，針對不同用戶的各項身體指標反饋不同的健康建議，并顯示在手機客戶端。

2.2 基于無線傳感器網絡的健康體檢系統實現

2.2.1 系統設計

系統首先提示用戶進行注冊，并設置賬戶名和密碼。注冊成功即可利用已經注冊的用戶名和密碼登錄健康體檢系統中心，與數據庫中存儲用戶名和密碼進行匹配，若匹配不成功則返回錯誤信息，要求重新輸入；只有在匹配完全成功時，進入系統的頁面，頁面設計如圖1所示。

2.2.2 系統三層結構

系統三層結構表示層、控制層、業務邏輯層。表示層是處理數據，進行轉換，執行通用數據轉換的功能?？刂茖又饕沁M行函數間參數傳遞。業務邏輯層為了實現業務接口函數，符合系統的功能。分層系統架構設計已成功在軟件系統被廣泛應用。分層設計可以使系統分工，有利于系統修改與維護，增強系統靈活性。總會出現業務流程改造的情況，然而接口的功能。在系統的需求下，轉換調用順序可以實現不同功能，不用對接口進行再次開發，體現了系統的可擴展性。 細化系統三層把它們分為表示層、應用層、服務層、實體域、數據層。各層之間相互連接相互貫通，體現了系統的連通性。表示層劃分為表示層和應用層。功能是顯示系統的頁面情況，應用層功能是進行信息交換，通過參數傳遞并成功發送信息。服務層用XML語言，為業務類服務提供業務功能接口。實體層是數據實體，通過數據驗證和封裝完成數據。

其具體工作原理見圖2。

3 結論

本系統借助于現在日益發展起來的無線傳感器，通過實時監測，收集和分析各項數據，建立起健康體檢系統數據庫，通過數據分析檢測身體健康狀況，并且提供健康常識的查詢，通過數據分析反饋健康狀況并且給予藥物治療的建議。

對于創建這樣一套健康體檢系統，基于所學的計算機程序語言及其容易開發出來，但是在系統推廣上還有不足，無線傳感器網絡數據完整性問題、傳感器成本問題及能源供給問題，都需要進一步改進。

參考文獻

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作者簡介

張曉丹（1995-），女，現為泰山醫學院醫學信息工程學院2013級信息管理與信息系統專業學生。

孟凡燕（1994-），女，現為泰山醫學院醫學信息工程學院2013級信息管理與信息系統專業學生。

王浩淼 （1994-），男，現為泰山醫學院醫學信息工程學院2014級計算機應用技術專業學生。

喬晶（1982-），女，山東省萊蕪市人。碩士學位?，F為泰山醫學院醫學信息工程學院講師。主要研究方向為計算機技術與應用，信息管理。

通訊作者簡介