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家庭智能用电的研究与实现

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家庭智能用电的研究与实现
1 选题的背景以及研究的意义
1。1 选题的背景
智能家居(Smart Home)的概念最早出现于美国，它一般指将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通过传输技术连接到一个家居智能化系统上，以实现监视、控制和家庭事务性管理,并保持这些家居设施与住宅环境的和谐与协调.
智能家居系统作为一个完整的系统，其结构和功能是相当复杂的，整系统的建设需要涉及许多方面，但无论如何复杂,其基本思路在于，通过网络把各种家居设备连接起来，实现各种家居设备的双向交流，从这个层上讲，智能家居包含3类设备：智能家电、总线连接器和家居控制器。
智能家电是指将先进的控制技术、网络技术以及通信技术应用于传统家电,使家电具备智能化和信息网络化功能。与传统家电相比，智能家电不仅具有使人类生活更为舒适、安全、有效、方便的传统功能，还由原来被动静止的物体转变为具有主动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，优化人们的生活方式，增强家居生活的安全性。无论是新型家电还是传统家电，其整体技术都在不断提高。家电的进步,关键是采用了先进控制技术,从而使家电从一种机械式的用具变成一种具有智能的设备，智能家电体现了家电最新技术的全貌。毋庸置疑，现在整个社会正在向数字化、信息化、网络化的方向发展，智能家电是家电产品发展的必然趋势。家电在跨过了机电控制、电子控制、程序控制和智能控制的技术台阶后，必然发展成为通过网络获取知识、交换信息、协同工作的新一代智能家电。无论是在国际上，还是在国内这股潮流都已经得到了充分的验证。目前市场上的少部分高端智能家电都已经具有蓝牙信号接收、传输接口,能够主动将自身状态信息送入控制器，同时在控制器发出命令后能够自动执行动作。这就为智能家电控制器的开发提供了良好的基础。智能家电系列产品包括:空调、热水器、洗衣机、洗碗机、灯光、背景音乐、电动窗帘等。文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途
1。2 选题的意义
根据国家电网公司2010年6月发布的《智能电网关键设备(系统)研制规划》，2009-2010年国家电网需要完成以下任务：研制标准化的智能家庭网关;实现家电的网络化通信；实现家电的信息化通行等。2010—2011研制智能家电的控制器以及家庭能源管理系统(HEMS）。
随着我国智能电网建设的展开,智能用电作为智能电网的重要环节也越来越多的得到重视，智能家居是智能用电的重要组成部分，已被列入研究计划。家居控制系统作为智能家居系统的重要组成部分,无疑是其中的重要技术手段和今后社会的基础信息结点。开发智能家居相关产品不仅能够满足人们生活的需要，对整个社会信息化进程的推动作用也不可忽略。因此，基于DSP的智能家居控制器的研究顺应国内外发展趋势，具有重要的现实意义。
2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势
2.1智能家居控制器的国内外动态
自从1984年世界上第一幢智能建筑在美国出现后,美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。目前已出现在市场上的智能家居控制器产品主要有：美国的X-10系统 、德国的EIB系统、 新加坡的SX系统， 由于智能家居的诱人前景和巨大市场,尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食智能家居市场.
在国内,智能家居不是一个单独的产品，也不是传统意义上的“智能小区”概念，而是基于小区的多层次家居智能化解决方案，它综合利用计算机网络通讯、家电控制、综合布线等技术,将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控等家居生活有效地结合起来，在传统智能小区的基础上实现了向家的延伸，创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。目前我国智能家居控制器的主要产品：霍尼韦尔公司的HRIS—1000，清华同方的e-Home数字家园，海尔的“e家庭”，科隆的“现代家居信息服务集散控制系统”，快思聪的智能家居中央控制系统，思美特的IPMCR控制系统等。
智能化家居系统在国内的发展特点:
（1）目前我国市场上的智能家居控制器的大部分是基于ARM控制芯片和红外传输技术，ARM具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面，而DSP主要是用来计算的，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度.
(2）市场潜力大。我们知道现在的房地产业在全国的发展都很火爆，作为其下游产业,智能家居市场前景非常乐观。智能家居产业处于引导期，没有一个统帅品牌和领军企业，市场处于无序竞争期.这个产业各自为政,没有一个统一标准，各种技术力量重复投入，致使在这个基础上的家庭网络产品五花八门，但多数产品是大同小异，行业内各企业的竞争处于无序状态.
(3)智能家居行业市场还未成熟.大规模的价格战、广告战和服务战还没有爆发，市场份额较为分散，市场的认知和接受程度较低，市场尚处于一个需要逐步培育和引导的阶段.与产品的服务供应商的争先恐后相比，智能家居产品进入用户终端的步伐略显迟缓。
2。2智能家居控制器的发展趋势
近几十年来,智能家电控制技术得到了飞速发展,得力于通信技术、微电子技术、计算机技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展，家电的控制部分已由机械、电磁控制逐渐让位于微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并正向全数字化控制方向快速发展。总结起来,主要有以下发展趋势：
（l) 智能家居控制器向一体化、系统集成化方向发展.
（2) 智能家居控制器向智能化、网络化、人性化方向发展.
(3) 智能家居控制器向规范化、标准化方向发展。我国智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷,标准和规范还在制定之中。
2.3 目前智能家居中存在的问题与课题的提出
为了克服以ARM为核心的控制器在智能家电中运算速度不够快的不足，适应智能家电控制器发展的要求，本文拟设计以TMS320F2812芯片为控制核心的DSP智能家电控制器。F2812是TI公司C2000平台上的定点DSP芯片新成员，具有低成本、低功耗和高性能等特点，特别适用于有大量数据处理的测控场合。该控制器较之单片机、ARM、PLC等控制核心的智能家居控制器具有以下优点:
（l)数字信号处理功能强大。TMS320F2812属于32位的定点DSP，具有哈佛结构、流水线结构、硬件乘法器等特点,这些使得DSP具有单片机及其它处理器无法比拟的数字信号处理能力和运算速度。
（2）高性能的模数转换模块。F2812具有高性能的12位模数转换模块，一次转换时间为200ns，连续转换时间为60ns.并提供了多达16路的模拟输入，具有自动排序功能,能够最多为16路的转换在同一个转换期间进行而不会增加CPU开销。这些为简化硬件电路的设计、进行交流采样等提供了极大方便。
（3)通行功能强大。该芯片集成有串行通信接口（SCI）,使之能够与系统中的其他控制器进行异步通信。另外还提供了一个16位的同步串行外设接口（SPI）、增强型eCAN通信模块和多通道缓冲串行接口（McBSP）.这些功能的引出脚也可设置作为通用I/O引脚使用。这些可以保证DSP与智能家电的信息交换,实现网络的互连,满足家居智能化的要求.
（4）性价比高.近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，价格却大幅度下降,从工程实际看，单片机已经不再具有价格优势，这大大刺激了DSP器件的应用。越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件将逐步取代单片机在工业控制中的应用。
正是由于上述优点，所以采用TMS320F2812做为控制核心进行智能家电控制器的研究和开发,该控制器具有运算速度快、集成度高、通信能力强、性价比高等优点，完全可以满足智能家电控制系统的要求，适应智能家居发展趋势.
3本课题拟研究内容及研究目标
3。1本课题的研究内容
本文研究内容是基于DSP智能家居控制器，主要有以下几个方面的内容：
（1)在智能家居系统概念基础上提出并模拟实现用户行为，根据生活实际情况建立用户行为预测算法。
（2）设计智能家居控制器的硬件构成。
（3）DSP选用TI公司的TMS320F2812,仔细研究学习其内部结构、外部引脚及性能特征等。
（4）在学习理解蓝牙技术及其协议规范的基础上，选出一款适合智能家居的蓝牙模块，需要给出其与DSP的硬件接口电路及其程序流程.
（5）设计DSP与LCD、键盘(如果时间容许可采用触屏技术）的硬件接口电路及其程序。
（6）设计系统的程序流程，并编写程序.
3。2本课题的研究目标
本设计预期达到的总体目标是通过DSP实现对智能家居的控制，主要有以下几个方面：
（1）根据生活实际情况建立用户行为预测算法,以便为编写控制程序提供向导。
（2）实现DSP和蓝牙模块之间的通信。
(3)实现DSP和LCD、键盘的通信。
（4)实现蓝牙模块与智能家电之间的通信.
（5）集成灯光系统、空调系统、安防系统、抄表系统、音视频系统、远程控制系统等实现智能家居控制器对智能家居子系统的控制.
(6）可根据不同场景或者手动，调整出相应的使用场景。
4本课题的创新之处
（1）根据实际情况建立用户行为预测算法，对研究实际问题具有重要的意义。
（2）用DSP和蓝牙模块通信,不同于以往的ARM和红外的有机组合.
（3）引入DSP控制，使智能家居控制系统更高效，可根据用户行为预测执行不同的用电策略，可扩展功能多。
（4)符合国际标准的蓝牙无线技术的应用方便了用户,也适应了当今智能家居发展的趋势和要求。
5 本课题拟采取的研究方案，技术路线及可行性分析
5.1 根据实际情况建立用户行为预测算法
由于人类使用家电的具体模型的建立非常复杂，到目前为止还没有完全建立出数学模型。所以采取用户行为预测算法来绕开建模的问题。随着智能家居系统的越来越普及和多样化,仅仅实现控制已经不能满足用户的需求，用户对智能的要求已经越来越高，用户希望家居系统能够提供更人性化的服务，其中预测功能成为越来越重要的一个功能。凭借准确的预测功能，智能家居系统能够适应更多样化的情况和要求。同时能够最大化的给用户带来便利，甚至节省家庭开支。而其中预测算法是决定预测准确与否的关键。即使有了用户行为预测算法，但可以知道的是总会不定时的发生特殊情况，在这种情况下，本设计为了尽最大可能弥补这个缺陷,设计了手动操作，对于可能引发的危害安全的动作行为必须发送信息到客户端，再得到客户的容许后方可执行，所以对可能引发的危害安全的动作必须做出分类，以确保该系统的安全性。这就为该算法的安全应用提供了保障.
查阅相关文献可知，提高输入数据量，及增加用于学习过程的数据的时候,预测的准确率有了显著的提高,行为预测的准确度高达90％以上。故研究行为预测算法在智能家居中的应用具有重要意义。
用户行为预测算法是用于预测用户在未来的什么时间发生什么动作的算法，是一种前向学习后向预测算法，将学习和预测过程分离，并用字典作为连接，实现耦合。利用字典把学习程序和预测程序进行分离，相对独立，便于以后对算法的改进.

图5。1行为预测总体框图
前向学习：所谓前向学习,是指按照时间顺序对用户的历史动作串进行排序。然后按照时间的先后顺序从旧往新进行遍历。将庞大的历史动作串分割成短的动作串，并存储到字典中.并且记录下在某个时间区间内每个动作串发生的次数，用于下一步预测算法的权重。同时根据用户的实际动作不断更新字典.
字典：在算法中必须定义字典中存储词的最大长度。因为如果不定义词的最大长度。则字典中的词会随着学习过程的增长不断增长，但实际上过长的动作序列对预测是没有帮助的，很难在预测算法中匹配成功,而且使有用信息流失。
后向预测：后向预测就是在前面学习程序生成的字典的基础上进行预测。假设在某个时间段发生某个动作，然后计算可能的概率。求出所有动作可能发生的概率后,取其中的最大值。此动作就为预测结果.预测的过程是以当前发生的动作为起点，对历史动作串进行回推，计算可能发生的概率，因此称为后向预测。
至于具体的算法和概率统计暂时还没有想好，这是下一步研究的方向。
5。2 基于DSP的智能家居控制器的硬件设计

5.2.1智能家居硬件系统总体方案
本课题研究拟采用TI公司推出的TMS320LF2812芯片作为智能家电控制器的控制核心，充分利用其强大的数据处理能力和丰富的通信接口,结合其片内外设设计相应的硬件电路。实现对电压、电流数据采集，对烟雾、煤气、光线传感器的数据采集，频率测量、相位采集等功能，兼有远程控制接口，可实现对智能家居的远程控制，同时可通过蓝牙通信技术实现对智能家电和安防系统的无线控制。主要研究内容如下（虚线框内为研究内容）：

图5.2 智能家居系统总体方案
（其中虚线框为本设计要完成的任务)
（1）设计数据采集电路。AD转换模块用来对采集到的烟雾、煤气和光线亮度信号进行模数转换，然后将转换的数据送入DSP,接着DSP采用一些算法可以求解出烟雾、煤气和光线的数据.由于本设计工作量大，故不考虑烟雾、煤气和光线的采集，重点放在对电压、电流、频率、初相的采集。
（2)远程控制系统。远程控制系统分为电话控制系统和网络控制系统。电话控制系统集成了电话控制功能，用户可以通过手机、座机拨打家中的电话,激活电话控制功能，即可随时随地的控制家里的各种设备。远程网络遥控系统集成了控制技术，当你身在办公室、飞驰的列车上时你同样可以通过互联网远程监控家里的设备。远程控制系统现在已经有公司做出了产品，并且已经投入市场。
（3）蓝牙模块与DSP的硬件接口电路。实现DSP对智能家电的无线控制。
（4）智能家电系统和安防系统。智能家电系统包括以下几个子系统：智能灯光系统、空调系统/冰箱、背景音乐及音视频分配系统、家庭影院系统、电动窗帘、电动遮阳蓬系统。
5。2.2基于DSP的智能家居控制器硬件原理设计
基于DSP的智能家居控制器主要包括以下几个部分：基本电路部分（电源回路、JTAG接口、时钟回路、复位电路）、模拟量输入输出、开关量输入输出、测频测相单元、键盘、LCD模块、蓝牙模块、RS—232转换接口、数据存储器以及日历时钟等。

图5.3 基于DSP的智能家居控制器硬件原理图
（虚线框内的模块不为本设计的设计内容）

(1）设计电源、JTAG接口、时钟回路复位电路等基本外设接口电路.如果利用实验室开发板,则这些基本电路就不用设计。电源的设计：由于3.3V的I/O和Flash编程供电电压及1.8V的内核供电电压，所以采用TPS76318芯片.该芯片可以将5V直流电压转换为1.8V的电压。同时采用TPS76333可将5V直流电压转换为3.3V的电压。这样就可以分别为DSP芯片的CPU和片内I/O设备提供工作电压。时钟回路的设计:一般DSP芯片的时钟电路有两种。一种是利用芯片的内部的震荡电路与晶振和电容组成的。另一种是采用封装好的晶体振荡器。复位电路设计：一般DSP的复位方式分为软复位和硬复位。硬复位包括上电复位和手动复位.具体的复位电路还有待进一步的设计。JTAG接口：通过JTAG接口可进行在线调试与仿真，将调试环境CCS与JTAG接口相结合设计的实验开发板给我们学习和应用DSP提供了很大的方便。
(2)设计数据采集电路。利用DSP芯片的采样功能，采用交流采样算法计算出智能家居控制器显示所需的电量。智能家居系统的电压、电流取智能家居系统的进线端电压、电流.电压输出为220V左右，电流互感器二次测输出为0～5A，而TMS320LF2812的AD输入信号的范围为0~3V。这就需要有能将220V左右的电压和TA二次测的电流信号进行滤波、幅值变小等处理，从而供DSP采样，这一电路即数据采集电路。利用TMS320F2812芯片内部集成的12位AD实现对智能家电系统进线端220V左右电压和TA二次侧电流的交流采样，并采用均方根算法完成电压、电流的计算，省去了电量变送器,提高了运算速度，节省了成本,简化了外围硬件电路,大大提高了电路的可靠性。
（3)设计同步测频电路.利用TMS320F2812芯片事件管理器中的捕获单元（CAP）和通用定时器，实现对电网频率的测量和相位的检测，计算有功、无功和功率因数。
(4）设计开关量的输入输出电路。DSP智能家电控制器的开关量输入/输出主要包括：开/停机信号、增/减量信号、手动/自动开关等。开关量的输入/输出均采用光耦进行隔离。
（5）设计键盘、LCD接口电路。液晶显示器（LCD）具有功耗低体积小、重量轻等诸多其它显示器无法比拟的优点。点阵式LCD不仅可以显示字符、数字,还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本显示等功能，故本设计采用点阵式LCD。需要显示的有：电压、电流、频率、有功、无功、相位、手动/自动状态、智能家电带电状态、温度、湿度、亮度、模式选择等。键盘作为常用的输入设备应用十分广泛。而键盘的按键数量往往较多，通常采用锁存器对键盘的写和读操作实现键盘对系统的操作.
（6）设计SCI串口和RS—232硬件接口电路。F2812的SCI可以通过RS—232转换芯片与PC进行异步通信，这样就可以实现智能家电控制器与前置机的通信。
（7设计GPIO和蓝牙模块的通信接口电路。GPIO是DSP的通用I/O接口,可通过GPIO与蓝牙模块连接，从而实现DSP对蓝牙模块的控制，同时蓝牙模块接收的智能家电和安防系统的数据也可以送入DSP.目前，在智能家居控制器的产品中，红外通信智能家居控制器的设计占据主导位置,但蓝牙在智能家居的应用中也已崭露头角.
（8)设计模拟量的输出通道。F2812的SPI总线往往用来连接串行外设。实验室的实验开发板上设计了SPI和D/A的硬件电路,数模芯片作为接收方,DSP作为主机只负责发送数据。
(9)设计外部存储器和日历时钟电路。由于F2812没有专用的IIC总线接口，所以实验开发板设计时采用了通用的I/O引脚模拟IIC总线。由于本设计需要显示时间、日期、年月故需要设计日历时钟电路。同时有些重要数据需要存储,故使用EEPROM芯片来保存重要数据。
6 本课题在研究过程中可能遇到的问题及解决的初步设想
（1)由于本人能力有限，时间紧，工作量大，对于人类行为预测算法的考虑还不够充分,只是设计了一个大概的框架，接下来需要查阅相关的文献资料更深入的学习行为预测，设计更加合理的智能家居的行为预测算法，丰富行为预测算法,细化行为预测算法的各个细节.
(2）需要了解蓝牙基本知识，学习其通信协议，最后确定蓝牙模块的型号，以及硬件接口的设计。
7 论文的工作量与经费的来源
7。1论文的工作量
首先搜集论文相关的文献，大概了解智能家居、蓝牙通信、DSP控制器的相关理论和基本知识，整理归纳现阶段智能家居控制器的设计方案,通过对比提炼出自己的设计方案并分析其可行性。接着根据实际情况建立用户行为预测算法，提出不同情况下的用电策略。接下来进行硬件设计，主要包括：蓝牙模块的选型，蓝牙模块与DSP的硬件接口电路，DSP与LCD、键盘的硬件接口电路。再接下来进行软件编写，主要包括：各个电路模块的初始化程序，显示菜单程序，蓝牙通信程序，蓝牙与DSP的通信程序，以及用户行为预测算法程序的编写。最后是对软硬件的配合以及功能的实现进行全面调试.最后撰写论文完成毕业设计.
7。2经费的来源
由研究生经费提供
8 时间安排
（1）2010.9—-2010.10 搜集论文相关的资料文献，大概了解智能家居、蓝牙通信、DSP控制器的相关理论和基本知识。
（2)2010。11—-2010.12 整理归纳现阶段智能家居控制器的设计方案，通过对比提出自己的设计方案并对其进行优化.
（3）2011。1--2011。2 接着根据实际情况建立用户行为预测算法，提出不同情况下的用电策略。
(4）2011.3——2011。5 进行硬件设计,主要包括：蓝牙模块的选型,蓝牙模块与DSP的硬件接口电路,DSP与LCD、键盘的硬件接口电路。
（5)2011。6——2011。8 进行软件编写，主要包括：各个电路模块的初始化程序，显示菜单程序，蓝牙通信程序，蓝牙与DSP的通信程序，以及用户行为预测算法程序的编写.
(6)2011.9——2011。11 进行系统调试.
(7）2011。12——2012.2 整理资料，撰写毕业论文,并对论文进行审核修订.
（8)2012.3 论文答辩。
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