覃世歡，吳光敏

(昆明理工大學(xué)理學(xué)院，昆明650093)

1 引言

智能家居系統(tǒng)是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化功能，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的智能居住環(huán)境。它由多種家庭信息終端或家用電器設(shè)備組成，能夠?qū)⒏鞒审w系、互不相連的子系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來，并實(shí)現(xiàn)與外界的信息交換，這就要求設(shè)計(jì)一個(gè)兼容性強(qiáng)的家庭控制器而且滿足信息傳輸需要的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主要功能是把各種電器設(shè)備與控制器結(jié)合成為一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的信息傳輸。電力載波(Power Line Carrier，PLC)通信是利用電力線進(jìn)行信息傳送的一種通信方式。當(dāng)前，智能家居的范圍通常比較小，而且在家庭中電力線布局于每個(gè)角落，許多信息終端、家電設(shè)備直接使用220V交流電作為電源。如果利用現(xiàn)有的電力線組網(wǎng)，不需要重新布網(wǎng)，既可以節(jié)約財(cái)力、物力和人力，同時(shí)穩(wěn)定可靠，易于實(shí)現(xiàn)，易于擴(kuò)展。因此研究電力載波在家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

2 電力載波構(gòu)成的智能家居網(wǎng)絡(luò)

電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。電力載波通信通過電力線載波模塊將載有信息的高頻信號加載到電力線上，用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后再通過電力線載波模塊，將高頻信號從電力線上分離出來傳送到終端設(shè)備。智能家居系統(tǒng)中主控器、信息終端、家電設(shè)備等都存在內(nèi)嵌載波模塊接口，直接利用供電線路構(gòu)成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。因此電力線不僅提供了電源，也提供了信息通信的手段，這也是電力載波通信優(yōu)勢的一種體現(xiàn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力載波構(gòu)成的智能家居網(wǎng)絡(luò)

3 電力載波模塊設(shè)計(jì)

電力載波模塊的發(fā)送過程由微處理器通過SPI接口向載波芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過發(fā)送濾波電路后再利用耦合電路把信號耦合到220V的交流電上。接收過程則是把220V交流電上的載波信號經(jīng)過耦合電路再由濾波電路將信號送入載波芯片，最后傳給微處理器。電力載波模塊總體框圖如圖2所示。

圖2 電力載波模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2所描述的電力載波模塊結(jié)構(gòu)，采用AT91SAM9260處理器和MI200E載波芯片設(shè)計(jì)出智能家居的載波通信模塊，具體的電路原理圖如圖3所示。根據(jù)圖3的電路原理圖，對耦合電路、發(fā)送耦合濾波電路、接收耦合濾波電路以及SPI電路進(jìn)行描述。

(1)耦合電路:MI200E在發(fā)送和接收信號時(shí)都采用差分方式，通過信號耦合變壓器，在電力線上接收或發(fā)送信號。耦合電路中的變壓器不僅把載波信號進(jìn)行耦合，而且對強(qiáng)電也有隔離作用。

(2)發(fā)送耦合濾波電路:發(fā)送耦合濾波電路的主要功能是將AT91SAM9260處理器傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制，再將編碼調(diào)制后的信號進(jìn)行功率放大，然后通過輸出引腳PA、PB將信號傳送給發(fā)送濾波器，最后將信號耦合到220V的高壓電路上。發(fā)送濾波器一般由普通LC帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。

(3)接收耦合濾波電路:接收耦合電路的功能是將220V線路上的載波信號提取出來，經(jīng)過接收濾波器送入MI200E的RA+、RA-兩端進(jìn)行解調(diào)。由于信號耦合部分跟發(fā)送部分共用，因此，只需添加簡單的LC帶通濾波就可以將信號送入MI200E中，實(shí)現(xiàn)信號的接收與提取功能。

(4)SPI電路:MI200E與微處理器AT91SAM9260的數(shù)據(jù)交換通過SPI(Serial Peripheral Interface)接口實(shí)現(xiàn)。在點(diǎn)對點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效，最大速率可達(dá)幾Mbps，并且能夠與主流MCU實(shí)現(xiàn)簡單良好的聯(lián)接。數(shù)據(jù)或命令在M1200E內(nèi)部調(diào)制解調(diào)后經(jīng)過耦合電路，發(fā)送至220V低壓電力線路，受控單元的電力線載波通信模塊從低壓電力線上接收數(shù)據(jù)，解析并執(zhí)行遠(yuǎn)程控制命令。

4 模塊軟件處理設(shè)計(jì)

電力載波模塊的工作過程如下:模塊在初始化完成后進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，一般情況下處于接收狀態(tài)。如果電力線上的其它模塊將載波信號發(fā)送至電力線上，它就開始接收數(shù)據(jù)幀，對其校驗(yàn)后確認(rèn)有效的數(shù)據(jù)幀提取出源地址和目標(biāo)地址。如果目標(biāo)地址與本機(jī)的模塊地址一致則做進(jìn)一步的處理，否則直接放棄該數(shù)據(jù)幀。對于發(fā)送數(shù)據(jù)幀，首先應(yīng)把待發(fā)送的信息按通信協(xié)議組成數(shù)據(jù)幀，然后將載波芯片置為發(fā)送狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)往電力線，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，應(yīng)把模塊配置為接收狀態(tài)。MI200E芯片規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式，如圖4所示。

圖3 電路原理圖

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

第1到2個(gè)字節(jié)的兩個(gè)0xFF為引導(dǎo)碼，第3個(gè)字節(jié)為固定字符0x1A，第4個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)包信息(高2位為波特率信息、低6位為數(shù)據(jù)長度)，緊跟后面是用戶數(shù)據(jù)，最后兩個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)碼。其中數(shù)據(jù)長度為用戶數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼的字節(jié)數(shù)，而CRC校驗(yàn)碼為數(shù)據(jù)包和用戶數(shù)據(jù)的校驗(yàn)值。

對于MI200E的控制，首先對MI200E進(jìn)行初始化，等待中斷。當(dāng)有載波信號時(shí)，進(jìn)入中斷，然后對接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)處理，其流程如圖5所示。

發(fā)送處理流程:配置MI200E為發(fā)送模式后，每一次配置發(fā)送數(shù)據(jù)前都要查詢狀態(tài)寄存器的最高位是否為1，如果為1才允許發(fā)送，每次發(fā)送2個(gè)字節(jié)，發(fā)送完2字節(jié)后繼續(xù)發(fā)送后面的數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送完為止。當(dāng)發(fā)送完所有數(shù)據(jù)后配置M1200E為接收狀態(tài)。流程圖如圖6所示。

圖5 MI200E的控制流程

接收處理流程:配置MI200E為接收數(shù)據(jù)，判斷狀態(tài)寄存器的Carr/Frame是否為1，接著讀取接收模式寄存器，然后計(jì)算數(shù)據(jù)長度，根據(jù)數(shù)據(jù)長度接收數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼，判斷校驗(yàn)碼是否正確。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完后由主程序處理數(shù)據(jù)并執(zhí)行數(shù)據(jù)包指定的操作。流程圖如圖7所示。

圖6 發(fā)送流程

圖7 接收流程

5 結(jié)束語

隨著智能家居系統(tǒng)不斷地融入人們的生活，如何有效地設(shè)計(jì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。因?yàn)榧彝ブ杏写罅康碾娏€，所以在電力線的基礎(chǔ)上使用電力線載波通信能夠比較方便地構(gòu)建簡潔、廉價(jià)的智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。不僅可以省去弱電布線，而且后期比較容易維護(hù)和擴(kuò)展，因此電力載波通信在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用有著比較好的前景。通過以MI200E載波通信芯片為基礎(chǔ)，從硬件和軟件兩個(gè)方面分別介紹了載波通信模塊的設(shè)計(jì)與控制。把電力載波通信模塊集成到各電器中，利用電力線作為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)通信，完成對設(shè)備的控制和設(shè)備之間的信息共享。

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