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一、电力线通信技术概述
电力线通信技术(PLC)是把载有信息的高频加载于电流，用电力线传输，通过调制解调器将高频信号从电流中分离出来，传送到计算机或其他信息家电，以实现信息传递的一种通信方式。目前PLC技术已经形成宽带接入型与家庭网络型两种发展模式，家庭网络型是指通过电力线在用户家中组建高速LAN。这种模式的PLC只提供家庭内部联网，即通过家庭的内部的普通电力线，进行组网连接家庭内部局域网。电力线通信技术有以下优点：信息家电可以通过电力线进行通信，无需另外布线，利用电源线实现智能家居网络成本较低；电力网是覆盖范围最广的网络，PLC技术可以轻松地渗透到每个家庭，其应用范围广泛；网络的接入点是电源插座，电源插座随处可见，数目较多且接插方便；不需要拨号，接入电源插座即接入网络；电力线载波通信较容易实现自动抄表、家居监控等功能。利用电力线载波通信技术实现智能家居网络最方便。
二、电力线智能家居网络的关键问题
2.1载波技术1)正交频分多路复用技术。低压电力线载波信道的传输特性的特点是具有时变性，衰减较大，而且各种干扰噪声复杂。为提高电力线网络的传输质量，电力线通信大都采用正交频分多路复用技术(OFDM)进行调制。即将串行数据转化为N个并行数据分配给N个不同的正交子载波，实现并行数据传输。这样既可得到很高的数据传送速率，又能够有效地抑制码间干扰。应用OFDM技术于电力线通信中具有明显的优越性。OFDM频带不仅利用率高，而且抗干扰性强，可以克服电力线上固有的高噪声、多径效应和频率衰减等现象，有效利用现有低压电力线实现高速数字通信。2)扩展频谱调制技术。这一技术的抗干扰和抗多径效应也较强。因此，也有一些厂家采用这种技术开发电力通信产品。扩展频谱调制技术在相对较宽的频带上扩展了信号频谱，降低了信号的功率谱密度，降低了电磁辐射，削弱了对其他通信系统的干扰。而且接收端通过窄带滤波技术提取有用信号，信号的信噪比很高，抗干扰性增强。另外，扩频通信可以实现码分多址。对于1Mbps左右的系统，应用扩频技术就可以完全满足传输容量的要求，且其设备简单，扩频调制方式较为经济。当传输速率要求在10Mbps及以上时，扩频技术实现起来较困难。在10Mbps及以上传输速率宜采用OFDM调制技术。
2.2网络控制技术目前，家庭自动化网络标准有许多种，较为成熟的有X210、CEBus和LonWorks等。1)X210是最早应用于家庭设备自动控制系统的。X210的控制模式为主从控制模式，信息是单向传输的，从控点只能接收主控点发来的信息，不能反馈。X210的系统信息的传输较慢(传送一个指令需时0.883s)，抗干扰性能差，可用节点数为256个，只能用于普通家庭中的简单控制和专项控制。但其价格十分低廉，而且安装使用较方便，如仅组建一个简单的家居智能网络，可以考虑X210技术。2)CEBus是一个较完整的开放系统，美国电子工业协会(EIA)于1992年正式推出，并定为IS260/EIA2600标准。它定义了在几乎所有传送媒体(Medium)中信号的传输标准，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度(10Kbps)传送，从而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问题。CEBus的抗干扰能力比X210强，控制功能亦十分丰富。但接口技术比较复杂，价钱较贵，在中国的应用不多见。3)LonWorks是由美国Echelon公司于1990年12月开发成功的全分布式智能控制网络技术。1997年8月，被EIA的集成家庭系统技术委员会定为家庭网络(HomeNetworking)的标准。Lon2Works完全支持OSI的7成协议，具有良好的开放性、互操作性，其网络系统组成以分布控制为控制模式。对于网络家电来说，只需要将已定义的的网络家电之间信息传递的语法和语义标准在应用层实现后，就能够实现不同厂商之间产品的相互兼容。LonWorks的分布式架构使其具有独立性，部分节点的故障不会造成系统瘫痪。LonWorks最基本的部件是同时具有通信与控制功能的神经元芯片，具有很强的通信能力和一定的数据处理能力。其抗干扰能力很强，其可靠度是这三种网络控制技术最高的(约99.8%)，并具有完善的开发系统和工具。LonWorks的分布式架构，每一个控制装置都可以有随插即用的功能，减免了二次拉线造成的成本，并避免了重新布线的不便。LonWorks可扩展性强，在将来对系统升级时，可充分利用原有资源，降低升级的复杂性及成本。上述三类家庭自动化网络技术都是各有其特点，组网时可根据实际情况进行选择。但如果要组建一个统一的、操作性强、功能完善、可靠性高、可扩展性强的家居智能网络，采用LonWorks技术是一个明智的选择。
三、电力线智能家居网络的组成
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1系统的总体结构及工作过程
智能家居系统由系统主机、系统分机、Internet服务器和网络接口等部分组成。其中系统主机通过服务器（个人计算机）连入Internet，并通过自己的PSTN公用电话交换网接口电路连入PSTN。其结构图如图1所示。主机与分机通过无线传输组成星形拓扑结构。系统主机通过本地无线传输网络同系统分机进行通讯、传输控制命令和反馈信息。
该系统正常工作时，用户可以通过Internet和PSTN两种网络进行访问，当通过Internet访问时，本系统可提供一个界面友好的终端软件，用户只需登陆到运行在家中的服务器即可对家中的设备进行远程控制；当通过PSTN访问时，本系统将为用户提供语音操作界面。其工作流程如图2所示。
2系统的硬件构成
本系统的硬件主要有系统主机与系统分机两大部分。系统主机由单片机AT89C52和各种接口电路组成，如图3所示。系统分机由单片机AT89C52和各种接口电路、传感器单元电路、固态继电器控制电路组成，并由固态继电器控制具体设备，具体硬件组成框图如图4所示。
通过系统主机的各种接口电路可将主机CPU从繁忙的计算中解脱出来，以便把主要精力运用在控制和信息传递上。系统主机主要依照各个功能电路的输出结果进行逻辑判断和控制命令的输出。系统分机的各种接口电路和主机相似，只是根据设备的不同（传感器单元）有着细节上的变化。下面主要介绍系统主机的各种接口电路。
2．1nRF401无线数据传输电路
无线数据传输电路由Nordic公司的单片UHF无线数据收发芯片nRF401及其电路构成。nRF401采用FSK调制解调技术，其工作效率可达20kbit／s，且有两个频率通道供选择，并且支持低功耗和待机模式。它不用对数据进行曼彻斯特编码，其天线接口设计为差分天线，因而很容易用PCB来实现。
2．2看门狗电路
看门狗电路由MAX813L及其元件组成。通常，在单片机的工作现场，可能有各种干扰源。这些干扰源可能导致程序跑飞、造成死机或者程序不能正常运行。如果不及时恢复或使系统复位，就容易造成损失。看门狗电路的作用就是在程序跑飞或者死机时，能有效地使系统复位以使系统恢复正常运转。因此，在程序中定期给P1．5送入看门狗信号，就可以保证在程序运行异常时，由MAX813L使单片机复位。
2．3DS1307时钟接口电路
DS1307时钟芯片是美国DALLAS公司生产的I2C总线接口实时时钟芯片。DS1307可以独立于CPU工作，它不受晶振和电容等的影响，并且计时准确，月积累误差一般小于10秒。此芯片还具有掉电时钟保护功能，可自动切换到后备电源供电。同时还具有闰年自动调整功能，可以产生秒、分、时、日、月、年等数据，并将其保存在具有掉电保护功能的时间寄存器内，以便CPU根据需要对其进行读出或写入。由于单片机AT89C52没有I2C总线接口，因此，要驱动DS1307，就必须采用单主机方式下的I2C总线虚拟技术。在此方式下，以单片机为主节点（主器件），主器件永远占有总线而不出现总线竞争，且可以用两根I／O口线来虚拟I2C总线接口。I2C总线上的主器件（单片机）可在时钟线（SDL）上产生时钟脉冲，在数据线（SDA）上产生寻址信号、开始条件、停止条件以及建立数据传输的器件。任何被选中的器件都将被主器件看成是从器件。在这里，DS1307作为I2C总线的从器件。I2C总线为同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，因此，需加上拉电阻。
2．4MT8880C双音频编解码电路
由于单片机是通过MT8880C芯片得到PSTN网络的双音频信号解码输出，也就是说，单片机可以识别来自PSTN网络的控制信号，用户可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别与远程控制。因此，利用MT8880C的双音频编码功能，系统可以在紧急时刻将用户预置的紧急电话打到PSTN网络，从而把损失减少到最低。
2．5ISD4004语音录放电路
ISD4004是美国ISD公司生产的一种语音录放芯片。它可录制8～16分钟的语音信号。该芯片可提供SPI标准接口和单片机进行接口，其语音的录放控制均通过单片机来实现。该芯片的一个最大特点是可以按地址编程录放，因而可由ISD4004和单片机编程控制来构成本系统与PSTN网络用户的语音平台。由于ISD4004的INT和RAC脚输出为开漏结构，因此需要加上拉电阻。
2．6MAX202串行通讯电路
通讯电路可由串行通讯专用芯片MAX202组成，通过此电路可以方便地与PC机进行串行通讯。
2．7铃流检测与摘挂机控制电路
当系统被呼叫时，电话交换机发出铃流信号。振铃为25±3V的正弦波，失真小于10％，电压有效值为90±15V。振铃信号以5秒为周期，即1秒送，4秒断。由于振铃信号电压比较高，所以先要通过高压稳压二极管进行降压，然后输入至光耦。再经光耦隔离转换后，从光耦输出时通时断的正弦波，最后经RC回路进行滤波以输出标准的方波。该方波信号可以直接输出至单片机的定时器1进行计数，以实现对铃流的检测。
由于程控电话交换机在电话摘机时电话线回路电流会突然变大（约30mA），因此，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。自动摘挂机电路可以通过单片机的P1．7来控制一个固态继电器，固态继电器的控制端应连接一个大约300Ω的电阻后再接入电话线两端，从而完成模拟摘挂机。
3系统软件编制
本系统软件主要由系统主机和系统分机的C51程序和系统与Internet网络通讯程序组成。
3．1系统主机程序的编制
系统主机程序主要用于实现系统的总体功能。包括无线数据传输程序、看门狗程序、时间戳程序、双音频编解码程序、语音录放程序、串行通讯程序、铃流检测与摘挂机控制程序、系统初始化程序、意外事件处理程序等。程序编制以消息驱动为主导思想。消息由计数器中断1、外部中断0和串行中断产生，在中断服务程序中，应将相应的状态位置位，而在消息循环中则应按相应的状态位调用功能函数，然后由功能函数将相应的状态位清0并完成所需功能，并最后返回到消息循环中。其程序流程如图5所示。该系统的分机程序和主机类似，故此不再详述。
3．2系统与Internet网络通讯程序的编制
这部分通讯程序分为服务器和客户端两个程序，主要通过Internet网络完成用户的控制功能。
服务器程序主要完成客户端与系统主机通讯的中转，即将客户端发来的控制或者查询命令翻译成系统主机能识别的格式，或者将系统主机收到的报警等信息上传到客户端。服务器程序使用Socket与客户端进行Internet通讯。
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一、智能家居的概念
智能家居别称智能住宅，英文名称为“Smart Home”。其是一个以住宅为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、安全、便利，安装有智能家居系统的居住环境。智能家居集成是利用网络通信技术、综合布线技术、安全防范技术、音视频技术、自动控制技术将家居生活有关的设备产品集成。它的目标是通过互联网等信息通信技术手段，通过远程控制终端来实现对家居电器等的智能控制，使其能够按照人们的意愿设定工作运行，而不论距离的存在。智能化是智能家居的两大特点之一，其另一大特点就是远程控制。随着互联网技术的快速发展，特别是无线网络技术的发展，互联网智能家居系统可提供遥控、家电控制、防盗报警、电话远程控制、计算机控制等多种功能和手段，让生活变得更加舒适、简单和安全。
智能家居因为受产品生产商的限制。使其短时间内无法实现统一的标准协议，所以一般都是一个商家单独做系统研发方案的。其中比较具有影响力的一次是2007年微软推出的“未来之屋”的一个方案，是物联网技术应用于日常家居生活的一个典型案例。当人们进人房屋时，安全系统会对进入者的面部进行扫描，确认身份后才会打开房门。冰箱的液晶显示器能够智能的列出保存的食物清单，厨房水槽可以能够根据使用者身高不同而调节高度，而排风机可以检测油烟浓度，已作出是否需要开启的决定。除了这些，每个房间的装修风格墙、壁颜色和温度，都可以根据使用者的喜好自由更换。
二、国内外智能家居发展状况
智能家居起源于20世纪80年代初，随着大量电子家用电器的面市，家居生活电子化开始实现；80年代中期，通过把家用电器、安全防范设备与通信设备各部分独立的功能用途整合成一体，形成了家居生活自动化的概念；到80年代末，随着通信信息技术的快速发展，出现了利用总线技术把家居生活中各种家电、通信、安防设备进行管理与监控的商用系统，其在当时被美国称为Smart Home，也就是现在智能家居的雏形。智能家居进入21世纪后，其发展是多样化的，技术实现的方式也更加丰富了。总的来讲，智能家居发展过程大概包括四个阶段。第一阶段主要是利用两芯线、同轴线进行家庭组网，实现了窗帘、灯光控制等功能。第二阶段主要利用RS-485线、部分利用IP技术进行组网，实现安防、可视对讲等功能。第三阶段实现了家庭智能控制的系统化，控制主机产生，功能包括控制、安防等业务。第四阶段全部利用IP技术，末端设备利用zigbee等技术，智能家居功能提供采用“云”技术，达到了可以根据用户需求实现个性化，以及定制。近年来，物联网成为了全世界关注的热点话题，全球公认为其是继互联网之后最有价值的科技创新。物联网通过射频识别（RFID）、全球定位系统、红外感应器等信息传感设备，按制定的协议把所有物品与互联网连接起来进行信息通讯以及交换，来实现智能化跟踪、管理、识别、监控和定位。物联网的科技创新也为智能家居引入了新的定义，也扩大了其展领域。
在国内开发智能家居的公司中，其家庭内部组网中多采用有线方武（如X-10），但是利用无线通信的。 大多是自己制定简单的协议，并没有使用比较成熟的比较适用于智能家居的协议。国内早期典型的智能家具系统有：海信的智能家居控制系统、科龙集团研制的智能网络家居系统等。他们的产品因为带有不同的标准，为产品的相互兼容带来无法避免问题。2005年6月，以海尔为首的 “e家佳”和联想牵头的“闪联”同时被信息产业部确定为推荐性标准，从而拉开了数字家庭竞争的序幕。到目前为止，智能家居系统的发展有了很大的进展，其功能也越来越多样化，其产品的兼容性问题也得到了很大的改善。
三、智能家居的特点
1、节约能源：在不需要时，能源系统可以自动关闭，这样可以减少能源的浪费，减低使用能源的费用。
2、操作方便：智能家居系统提供远程遥控接口。智能家居系统还可以把重复的工智能化。在您外出时，还可以控制家电。
3、安全性高：智能家居系统在紧急情况下可以防御坏人或报警。您可以在任何地方可以监控家里的安全状态，这样可以保证您住宅的安全。
4、改变生活方式：您可以在家办公，进行远程会议，孩子在家里上课，主妇在网上逛街等。生活中的大部分都可以利用互联网在家进行，不受时间地域的限制。智能化的生活工作方式与以往的生活工作方式有了很大区别。智能家居可以给人们带来更为简单快捷的生活，在现在这个生活、工作节奏越来越快的社会，智能家居也可以为人们减少繁琐家务、节约时间，让人们有时间去休息，去教育子女，去锻炼身体和进修，使人们的生活工作质量有了很大的提高。
四、智能家居的控制
智能家居应该不需要依赖复杂的集成和布线，而是能够感知环境、感知人，并且随着互联网和物联网的发展，人与物、物与物的沟通将变得不再困难。手机不应该是控制器，而应该只是这些“管家们”和人沟通的一个管道。智能家居控制系统是由各个子系统通过网络通信系统组合而成的，要根据需要，减少或者增加子系统，以满足需求。另外，可以设置各种控制模式，如离家模式，回家模式，下雨模式，生日模式，宴会模式，节能模式等，极大满足生活品质需求，即插即用，特别用无线的方式，可以快速部署系统。
通过上述内容简要介绍了智能家居设计的内容，分析了其在国内外发展的现状，详细指出了其特点与有效控制形式，希望通过本论文能推动智能家居的发展。
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1 无线传感器在国内外应用现状
最近几年，尤其是无线通信、集成电路和传感器等技术的飞速发展，使得大批低成本、低功耗、多功能的无线传感器占据了大量的市场。而随之发展的还有无线传感器网络。无线传感器网络近几年来在世界上有着广泛的应用市场。它不仅仅是在在工业、农业、军事、环境、等传统领域取得了巨大成就，还在医疗和护理领域也得到了快速发展。罗彻斯特大学的科学家根据室内的微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。利用无线通信技术将获得的数据进行整合，并且根据这些信息进行护理，从而减轻护理人员的工作量。基于无线传感器应用优势及其发展大潮，为我们研究的健康体检系统提供了支撑和动力。
2 基于无线传感器网络的健康体检系统
2.1 功能及设计
本系统主要是通过无线传感器进行健康监测。通过表面粘贴的传感器作为神经系统使用，来对使用者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）进行测量。通过无线传感器网络进行数据获取和整理，系统对用户提出帮助和解决问题。根据已经检测的数据分析健康状况并给予合适的意见，可以通过图标等形式显示在智能终端。
2.1.1 通过无线传感器网络进行数据获取和整理
无线传感器网络通常由大量密集部署在某个监测区域的传感器节点以及一个或多个位于区域内或区域附近的数据汇聚节点组成。这些传感器节点体积小，但配备有传感器、嵌入式微处理器和无线收发器等器件，集信息采集、数据处理和无线通信等功能于一体，能够通过无线通信和自组织方式形成网络，可以检测和处理监测区域内的各种环境数据或目标信息，并将所监测到的数据和信息传送给汇聚节点，从而协作完成指定的监测任务。同时，传感器节点还可以通过汇聚节点作为网关，与现有的网络基础设施（如互联网、卫星网、移动通信网等）建立连接，使远程的监控中心或终端用户能够使用采集到的数据和信息。该系统以智能终端设备的Android操作系统平台，用户通过手机与无线传感器网络建立联系，将无线传感器处理后的数据反映到手机中，让用户可以随时查看健康状况。
2.1.2 无线传感器进行健康监测
通过表面粘贴的传感器作为神经系统使用，来对使用者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）进行测量。该系统在腕环设备中嵌入半导体传感器，帮用户随时了解自己的状况，利用无线通信传递必要的信息，来感知和预报身体状况。
2.1.3 无线传感器系统对用户提出帮助和解决问题
根据已经检测的健康状况，在后台数据库进行对比查找，针对不同用户的各项身体指标反馈不同的健康建议，并显示在手机客户端。
2.2 基于无线传感器网络的健康体检系统实现
2.2.1 系统设计
系统首先提示用户进行注册，并设置账户名和密码。注册成功即可利用已经注册的用户名和密码登录健康体检系统中心，与数据库中存储用户名和密码进行匹配，若匹配不成功则返回错误信息，要求重新输入；只有在匹配完全成功时，进入系统的页面，页面设计如图1所示。
2.2.2 系统三层结构
系统三层结构表示层、控制层、业务逻辑层。表示层是处理数据，进行转换，执行通用数据转换的功能。控制层主要是进行函数间参数传递。业务逻辑层为了实现业务接口函数，符合系统的功能。分层系统架构设计已成功在软件系统被广泛应用。分层设计可以使系统分工，有利于系统修改与维护，增强系统灵活性。总会出现业务流程改造的情况，然而接口的功能。在系统的需求下，转换调用顺序可以实现不同功能，不用对接口进行再次开发，体现了系统的可扩展性。 细化系统三层把它们分为表示层、应用层、服务层、实体域、数据层。各层之间相互连接相互贯通，体现了系统的连通性。表示层划分为表示层和应用层。功能是显示系统的页面情况，应用层功能是进行信息交换，通过参数传递并成功发送信息。服务层用XML语言，为业务类服务提供业务功能接口。实体层是数据实体，通过数据验证和封装完成数据。
其具体工作原理见图2。
3 结论
本系统借助于现在日益发展起来的无线传感器，通过实时监测，收集和分析各项数据，建立起健康体检系统数据库，通过数据分析检测身体健康状况，并且提供健康常识的查询，通过数据分析反馈健康状况并且给予药物治疗的建议。
对于创建这样一套健康体检系统，基于所学的计算机程序语言及其容易开发出来，但是在系统推广上还有不足，无线传感器网络数据完整性问题、传感器成本问题及能源供给问题，都需要进一步改进。
参考文献
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作者简介
张晓丹（1995-），女，现为泰山医学院医学信息工程学院2013级信息管理与信息系统专业学生。
孟凡燕（1994-），女，现为泰山医学院医学信息工程学院2013级信息管理与信息系统专业学生。
王浩淼 （1994-），男，现为泰山医学院医学信息工程学院2014级计算机应用技术专业学生。
乔晶（1982-），女，山东省莱芜市人。硕士学位。现为泰山医学院医学信息工程学院讲师。主要研究方向为计算机技术与应用，信息管理。
通讯作者简介
