基于电力载波通信技术的智能家居设计与实现

2023年4月25日发(作者：环氧自流平地坪漆)

基于电力载波通信技术的智能家居设计与实

现

作者：郭赵飞，陈继坤，薛兵，耿政

来源：《电脑知识与技术》2021年第34期

摘要：该文基于现有智能家居生态环境的现状，结合了电力载波通信技术的发展现状，将

AI智能助手应用到智能家居生态环境，提出了基于电力载波通信技术的AI智能家居系统，它

相比现有的智能家居拥有更好的安全性、易用性、兼容性等优点;文章着重分析了该系统的信

息安全保障、电力载波通信应用、AI智能语音助手等方面，详细阐述了該系统的总体框架，

经实验验证，测试结果表明该系统可行性，而且具有灵活方便，安全快捷，高效低成本等优

势，为智能家居发展提出了一种新思路。

关键词：电力载波通信;智能家居;DuerOS;控制系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）34-0121-04

随着智能家居不断的普及，用户对智能家居的易用性，安全性和拓展性的要求越来越高，

希望得到安全可靠又能插电即用的智能家居产品。常见的智能家居产品主要依靠无线介质进行

通信，在老旧小区，由于房屋电磁屏蔽性能不好，在用户密集的区域容易出现干扰、雷击及通

信质量下降的问题，也容易遭受黑客攻击;而在新建小区，房屋的电磁屏蔽性能过好导致无线

信号无法穿越墙体阻碍覆盖家中所有位置;智能家居产品因厂商不同，导致不同产品之间有难

以逾越的通信障碍，没有统一或者兼容不同产品的方案，对于家中已有设备的兼容性力度不

够。这些问题体现了目前主流智能家居的缺点。而随着新型互联网的快速发展，物联网设备的

安全性愈发地受到关注，目前的广泛使用的无线解决方案的安全性存有一定的隐患，本文着重

探讨基于电力载波通信技术的物联网的信息安全、成本控制、智能语音管理等。

1 智能家居现状分析

现在的智能家居生态环境随着新型物联网的发展也越来越丰富，但是智能家居的技术发展

缓慢，近十年的智能家居所发展的路线基本还是依靠无线通信方式，而无线通信方式也伴随着

一些安全隐患，例如近两年最为著名的KRACK漏洞就是WPA2安全加密协议的重大安全漏

洞，而现有的智能家居依靠的无线通信方式，最为常见的就是WIFI，这也就意味着这些智能

家居生态环境都面临着信息安全隐患。

1.1 信息安全问题

现有的智能家居设备最为广泛的问题就是无线通信方式带来的信息安全隐患，如关于常见

的CSRF漏洞、config文件替换攻击、恶意超长字符登录无响应漏洞等，甚至是利用中间人欺

骗来窃取用户隐私，最为常见的就是用字典暴力破解无线路由器的密码，而ZigBee通信方式

也存在协议栈等方面问题，这些都是无线通信方式带来的信息安全问题。

1.2电力载波通信技术及其安全性

电力载波通信技术（Power line Communication），电力载波通信借助现有的电线进行数据

传输，具有安全可靠、传输速率快、成本低廉、无须重新架设网络等优点。电力载波通信相比

无线介质更加安全稳点，尤其在信息安全方面，杜绝了渗透攻击、中间人欺骗文件替换攻击等

安全隐患，因此本文选择电力载波通信技术作为智能家居的基础。在智能家居生态环境中使

用，电力载波通信技术的缺点也很大程度上减弱了。这无疑是在智能家居生态环境中最好的解

决方案之一。

2 智能家居控制系统分析

智能家居控制系统通过不同介质控制家中各式各样的设备的开关、运行、工作状态反馈

等。但是目前常用的方法是基于无线介质控制的智能家居生态环境，但是无线介质在安全性、

易用性、方便性等方面有着无法改善的问题，所以本文提出基于电力线以太网作为智能家居生

态环境中底层控制介质，包含了用于控制连接范围的基础应用、供网供电的二合一适配器、AI

平台的智能连接控制中心、智能家居网路中心和联动控制四个主要功能模块。

2.1 电力载波通信与网络连接技术分析

电力载波通信技术特点的应用分为电力线以太网隔离器和电力网以太网连接器，这两个应

用是控制本系统连接范围的基本应用，将解决电力载波通信传输范围小、无法分割域、不可控

等缺点，是本系统重要的基础组成部分。

2.1.1智能家居系统隔离器

在需要隔离的两个网络之间安装空气开关，即可阻断两个网络。使用网路隔离器，能够分

割电力网络冲突域，也可以防止网络信号泄露。

2.1.2 智能家居系统连接器

在需要连接的两个网段安装网络连接模块，在两个网络连接模块之间使用网络连接线连

接，就可以将两个被隔离的网络连接。使用网络连接的手段可以将网络信号传输到更远的地

方。适合于网络抄表、公共联网、公共设备通信等场景。

2.1.3基于电力线以太网的电源和网络二合一适配器

本适配器将为设备提供电源的同时，也为物联网设备提供以太网接入。它的优势在于：

1）供电和供网二合一

电力线以太网适配器仅能提供以太网接入，不提供电源输出。普通电源适配器仅能提供电

源输出，但无法提供以太网接入。本模块的一大特色就是将供电与供网结合起来，在体积与电

源适配器相当的情况下，为电力线以太网模块增加电源输出的功能。

2）兼容传统有线以太网络

传统的电力线以太网适配器仅支持电力网接入，无法在有线网络与电力线网络间切换，当

设备能够使用更高速以太网时无法完成切换，本模块具有切换开关兼容更高速以太网，提高模

块的兼容性。

3）支持多种传输规范

传统的电力线以太网适配器仅支持RJ45接口灵活度不高，本模块可使用USB、PoE、

GPIO等规范来传输电力和网络信号，也可以使用自定义传输规范，以满足各种不同用户的需

求。

2.2基于DuerOS对话式AI系统的中心连接控制系统

使用基于DuerOS对话式AI系统的中心连接控制系统可以控制中心连接控制系统中的电

源控制模块，从而控制家电设备的电源开关，使得非物联网设备能够接受中心连接控制系统的

指令，控制非物联网设备启动。中心连接控制系统可以统一物联网设备和非物联网设备之间的

控制。而且基于DuerOS对话式的AI系统的中心连接控制系统还具有以下优点：

1）信息获取：通过自然语音对话交互的方式，及时满足日常基本信息获取需求，通过信

息互联完成所需。

2）服务资源：通过自然语音对话交互的方式，可为用户提供各种服务满足基本信息操作

需求，完成负责的日常情景下的需求。

使用这些DuerOS的技能，能高效快速地完成在某些情景下的需求，打造舒适、便捷、安

全和省心的智能家居环境，发挥出中心连接控制系统的能力，可为智能家居环境提供一个智能

化的私人空间，享受更加便捷的智能生活。

2.3基于LEDE系统路由器的智能家居网络中心

智能家居网络中心屏蔽不同网络间的差异，提供统一的通信方法，将不同介质网络连为一

个整体，为设备的统一联动控制提供了可能。智能家居网络中心与传统网络路由相比，在完成

无线接入、网络路由、连接互联网三大功能外，还具以下新特性：

1）为电力网提供网络服务

将网络服务拓展至电力网领域，使用电力网适配器的设备能够获得与有线以太网相同的体

验。

2）不间断连续控制

智能家居网络中心24小时在线，可以不间断的监控设备情况，并联动控制，可实现无人

值守控制。用户也可以通过多种手段对控制进行干预，使得系統的控制能力大大增强。

2.4 事件驱动联动控制平台

联动控制平台实现了一套智能家居设备整体控制系统，将孤立设备连为一个整体。当事件

发生时，控制平台将会根据用户定义的规则触发一系列控制指令控制有关设备进行相关操作，

无须人工依次控制不同的设备，大大提高了用户的使用体验。

3系统功能设计与实现

3.1电源和网络二合一适配器设计

二合一适配器应能够提供电力线以太网接入，将电力线中的电力线以太网信号转换为传统

的有线以太网信号，并将从有线以太网端口收到的数据在电力线中传输。完成基本的通信功

能。

电网双供模块还应提供电力输出，根据不同的使用场景，提供0-220V，AC/DC输出，为

用电器供能。

除此之外，电网双供模块应兼容不同的传送电缆及传送方式满足不同场景的需要，并支持

一定的扩展功能。具体设计方案如下：

1）遵循USB标准

此类设备的工作电压多为5V/12V/20V，最大功率100W，可由二合一模块的USB协议自

适应电源适配器提供。此方案在实现供电供网二合一的同时，还提供USB有线以太网接入、

USB-HUB等附加功能。

2）遵循PoE标准

PoE是指为某些基于IP的终端传输数据信号时为这些设备提供直流电的技术，而无需对

现有以太网Cat.5电缆基础设施进行任何更改。它能承受的最大功率为30W，最大电压48V，

最大电流2A。在此范围内的用电器可以使用PoE技术实现供电供网二合一。电源通过双绞线

的空闲引脚输入，网络信号通过双绞线的数据线传输。到达终端时通过PoE分离器，分离为电

源插头及网络接口。或者直接输入，通过PoE分离电路分别向SoC等设备提供电源和网络信

号。

3.2基于DuerOS对话式AI系统的中心连接控制系统设计

要实现中心连接控制系统控制不同的设备开关，首先是中心连接控制系统能够访问不同的

设备的开关，并借助于电力线以太网传输具体的控制指令，其次是中心连接控制系统能够识别

不同设备的特性，如：“帮我打开厨房的灯。”这条指令不仅要完成灯的开关，还是具体到是厨

房的灯的开关。

使用中心连接控制系统，在DuerOS技能开放平台上开发，可通过创建的技能，使用声音

控制智能家居设备，或者是控制远程可控电源设备网关。当用户发出语音指令时，DuerOS会

解析出用户的意图，然后使用技能发送该意图相对应的指令， 技能收到指令时，对设备进行

相应的操作。

3.3基于LEDE系统路由器的智能家居网络中心设计

要实现多网融合，首先就需要规定网络使用的协议。网络接口层使用以太网协议，物理介

质可以使用无线、有线、电力线，这就要求融合方案能够同时访问这几种介质。

使用LEDE开发板稍加改造即可满足要求，还有足够的性能运行智能家居联动控制平台，

将二合一适配器提供的网络信号直接送给soc内置的以太网交换机，电源直接驱动整个设备。

网络层采用IP协议，使用IP进行寻址、管理和路由，为联动控制提供基础的网络服务。

多网融合采用路由器作为中心，通过USB扩展Zigbee及蓝牙等不以以太网作为二层标准的连

接协议。

3.4联动控制功能的设计

由于物联网设备计算能力不一，不适合分布式计算。因此需要确定控制核心。该核心应该

具有低功耗，24小时无人值守，能联网的特性。在计算能力不足时交由云计算进行处理。

联动控制分为三个主要部分：

主动上报：设备将自己的状态定期发送至集中控制端，由集中控制端处理、分析后，下发

控制指令，控制相关设备。

事件触发：设备检测到状态变化时，将产生一个事件，设备将触发的事件发送给集中控制

端，集中控制端根据触发规则，控制关联设备。

主动控制：设备将功能及控制方法上传至集中控制端，用户访问控制界面操作集中控制端

发出控制指令以控制被控设备。

各模块通过WebSocket进行通信，它是基于TCP对浏览器支持友好的协议，具有SSL与

TCP的安全可靠性，同时能够兼容浏览器访问，不论是集群管理还是独立运行都能够很好地兼

容。

4 实现方案

在本系统中，感知层由传感器和效应器组成。传感器用于采集信息，效应器用于对命令做

出响应，也会产生反馈结果。

系统各部分连接方式如图5所示：

4.1 感知层

感知层采用GPIO（General Purpose I/O Ports）或USB（Universal Serial Bus）来连接智能

家居设备的传感器模块，来进行信息的感知和设备的控制，智能家居设备的传感器模块包含距

离传感器、光传感器、温度传感器、红外传感器、烟雾传感器等。

1）信息获取：通过自然语音对话交互的方式，及时满足日常基本信息获取需求，通过信

息互联完成所需。

2）服务资源：通过自然语音对话交互的方式，可为用户提供各种服务满足基本信息操作

需求，完成负责的日常情景下的需求。

使用这些DuerOS的技能，能高效快速地完成在某些情景下的需求，打造舒适、便捷、安

全和省心的智能家居环境，发挥出中心连接控制系统的能力，可为智能家居环境提供一个智能

化的私人空间，享受更加便捷的智能生活。

2.3基于LEDE系统路由器的智能家居网络中心

智能家居网络中心屏蔽不同网络间的差异，提供统一的通信方法，将不同介质网络连为一

个整体，为设备的统一联动控制提供了可能。智能家居网络中心与传统网络路由相比，在完成

无线接入、网络路由、连接互联网三大功能外，还具以下新特性：

1）为电力网提供网络服务

将网络服务拓展至电力网领域，使用电力网适配器的设备能够获得与有线以太网相同的体

验。

2）不间断连续控制

智能家居网络中心24小时在线，可以不间断的监控设备情况，并联动控制，可实现无人

值守控制。用户也可以通过多种手段对控制进行干预，使得系统的控制能力大大增强。

2.4 事件驱动联动控制平台

联动控制平台实现了一套智能家居设备整体控制系统，将孤立设备连为一个整体。当事件

发生时，控制平台将会根据用户定义的规则触发一系列控制指令控制有关设备进行相关操作，

无须人工依次控制不同的设备，大大提高了用户的使用体验。

3系统功能设计与实现

3.1电源和网络二合一适配器设计

二合一适配器应能够提供电力线以太网接入，将电力线中的电力线以太网信号转换为传统

的有线以太网信号，并将从有线以太网端口收到的数据在电力线中传输。完成基本的通信功

能。

电网双供模块还应提供电力输出，根据不同的使用场景，提供0-220V，AC/DC输出，为

用电器供能。

除此之外，电网双供模块应兼容不同的传送电缆及传送方式满足不同场景的需要，并支持

一定的扩展功能。具体设计方案如下：

1）遵循USB标准

此类设备的工作电压多为5V/12V/20V，最大功率100W，可由二合一模块的USB协议自

适应电源适配器提供。此方案在实现供电供网二合一的同时，还提供USB有线以太网接入、

USB-HUB等附加功能。

2）遵循PoE标准

PoE是指为某些基于IP的终端传输数据信号时为这些设备提供直流电的技术，而无需对

现有以太网Cat.5电缆基础设施进行任何更改。它能承受的最大功率为30W，最大电压48V，

最大电流2A。在此范围内的用电器可以使用PoE技术实现供电供网二合一。电源通过双绞线

的空闲引脚输入，网络信号通过双绞线的数据线传输。到达终端时通过PoE分离器，分离为电

源插头及网络接口。或者直接输入，通过PoE分离电路分别向SoC等设备提供电源和网络信

号。

3.2基于DuerOS对话式AI系统的中心连接控制系统设计

要实现中心连接控制系统控制不同的设备开关，首先是中心连接控制系统能够访问不同的

设备的开关，并借助于电力线以太网传输具体的控制指令，其次是中心连接控制系统能够识别

不同设备的特性，如：“帮我打开厨房的灯。”这条指令不仅要完成灯的开关，还是具体到是厨

房的灯的开关。

使用中心连接控制系统，在DuerOS技能开放平台上开发，可通过创建的技能，使用声音

控制智能家居设备，或者是控制远程可控电源设備网关。当用户发出语音指令时，DuerOS会

解析出用户的意图，然后使用技能发送该意图相对应的指令， 技能收到指令时，对设备进行

相应的操作。

3.3基于LEDE系统路由器的智能家居网络中心设计

要实现多网融合，首先就需要规定网络使用的协议。网络接口层使用以太网协议，物理介

质可以使用无线、有线、电力线，这就要求融合方案能够同时访问这几种介质。

使用LEDE开发板稍加改造即可满足要求，还有足够的性能运行智能家居联动控制平台，

将二合一适配器提供的网络信号直接送给soc内置的以太网交换机，电源直接驱动整个设备。

网络层采用IP协议，使用IP进行寻址、管理和路由，为联动控制提供基础的网络服务。

多网融合采用路由器作为中心，通过USB扩展Zigbee及蓝牙等不以以太网作为二层标准的连

接协议。

3.4联动控制功能的设计

由于物联网设备计算能力不一，不适合分布式计算。因此需要确定控制核心。该核心应该

具有低功耗，24小时无人值守，能联网的特性。在计算能力不足时交由云计算进行处理。

联动控制分为三个主要部分：

主动上报：设备将自己的状态定期发送至集中控制端，由集中控制端处理、分析后，下发

控制指令，控制相关设备。

事件触发：设备检测到状态变化时，将产生一个事件，设备将触发的事件发送给集中控制

端，集中控制端根据触发规则，控制关联设备。

主动控制：设备将功能及控制方法上传至集中控制端，用户访问控制界面操作集中控制端

发出控制指令以控制被控设备。

各模块通过WebSocket进行通信，它是基于TCP对浏览器支持友好的协议，具有SSL与

TCP的安全可靠性，同时能够兼容浏览器访问，不论是集群管理还是独立运行都能够很好地兼

容。

4 实现方案

在本系统中，感知层由传感器和效应器组成。传感器用于采集信息，效应器用于对命令做

出响应，也会产生反馈结果。

系统各部分连接方式如图5所示：

4.1 感知层

感知层采用GPIO（General Purpose I/O Ports）或USB（Universal Serial Bus）来连接智能

家居设备的传感器模块，来进行信息的感知和设备的控制，智能家居设备的传感器模块包含距

离传感器、光传感器、温度传感器、红外传感器、烟雾传感器等。