基于電力線通信技術(shù)的智能家居項目解決方案畢業(yè)論文

1、 . . . 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）題目 基于電力線通信技術(shù)的智能家居解決方案姓名 徐吉棟 學(xué)號 2011416470 院系 工學(xué)院專業(yè) 自動化指導(dǎo)教師 王慶蘭 職稱 講師2015 年 5 月28日曲阜師大學(xué)教務(wù)處制目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words11 緒論21.1 智能家居系統(tǒng)介紹21.2 電力線通信技術(shù)介紹32 基于電力線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)42.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)42.2 14Mbps電力線高速通信設(shè)備在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用62.2.1 14Mbps PLC調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理62.2.2 14Mbps電力線高速通信系統(tǒng)功能72.2.3 14Mbps電力線高速

2、通信技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用82.3系統(tǒng)功能92.4系統(tǒng)特點(diǎn)103 智能家居系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)(ICDT)設(shè)計113.1 ICDT介紹113.2 ICDT的硬件設(shè)計123.3 ICDT操作系統(tǒng)特點(diǎn)134 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計134.1 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇134.2 電力線載波通信模塊的基本原理144.3 通信模塊的設(shè)計原理144.4 主從站模塊硬件設(shè)計154.4.1 主站/從站通信模塊所采用的核心芯片PL2101154.4.2 MCU介紹164.5 主站/從站電路原理圖17致22參考文獻(xiàn)2222 / 25基于電力線通信技術(shù)的智能家居解決方案自動化專業(yè)學(xué)生 徐吉棟指導(dǎo)教師 王慶蘭摘要：

3、隨著智能化向家電業(yè)的滲透、信息化的高度發(fā)展，家居智能化的需求大為增加，并最終促成了智能家居的誕生和不斷完善，給基于電力線通信的智能家居系統(tǒng)帶來了新的活力。采用電力線來充當(dāng)智能家居系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信號傳輸媒介,依靠家庭網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行管理和控制，能夠便捷的實現(xiàn)對家用電器和相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控和管理。同時通過對數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計，使家用電器具有通信功能，實現(xiàn)家用電器與家庭網(wǎng)關(guān)和家用電器之間能夠通信。最后論文依靠電力線通信技術(shù)，提出了一套完整的智能家居解決方案。關(guān)鍵詞：電力線載波通信 智能家居系統(tǒng) 電力線高速數(shù)據(jù)通信家庭網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò) 智能控制數(shù)據(jù)終端IntelligentHome FurnishingBas

4、ed On Power Line Communication TechnologySchemeStudent majoring in Automation Xu JidongTutor Wang QinglanAbstract:With the intelligent to the height of the development of the penetration of the home appliance industry, information technology, intelligent home demand greatly increased, and ultimately

5、 contributed to the birth of the smart home and continue to improve, to smart home system based on power line communication has brought new vitality.The power line to act as a smart home system in data signal transmission medium, rely on the management and control of network home gateway, can achiev

6、e convenient for household appliances and equipment for monitoring and management.At the same time, through design of digital home network communication module, the household electrical appliance has the function of communication, implementation of household appliances and home gateway and home appl

7、iances can communicate.Finally,depending on the power linecommunication technology,puts forward a complete set of intelligent homesolutions.Key words:PowerLineCarrierHigh-speedPowerLineCommunicationSystemofSmartHomeHomeGatewayIntelligentControlNetworkDataTerminal(ICDT)1 緒論1.1 智能家居系統(tǒng)介紹智能家居是利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)

8、、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、醫(yī)療電子技術(shù)依照人體工程學(xué)原理，融合個性需求，將與家居生活有關(guān)的各個子系統(tǒng)如安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯(lián)動、地板采暖、健康保健、衛(wèi)生防疫、安防保安等有機(jī)地結(jié)合在一起（如圖1.1），通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗。圖1.1 智能家居控制系統(tǒng)與普通家居相比，智能家居系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適、安全、高品位且宜人的家庭生活空間，而且還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效地安排時間，增強(qiáng)家居生活的安全性，

9、甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。對家電自動化(Home Automation)、信息家電(3C:Computer、Communication、Consumer Electronics)、家庭網(wǎng)絡(luò)(Home Networking)以與網(wǎng)絡(luò)家電(Network Appliances)系統(tǒng)的研發(fā)極推動了智能家居技術(shù)的發(fā)展。“家庭自動化”是指利用微處理器技術(shù)，來集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)，例如計算機(jī)、照明系統(tǒng)、廚房設(shè)備、保安系統(tǒng)、暖氣與冷氣系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視頻與音響系統(tǒng)等。一方面，系統(tǒng)會自動參考來自各個傳感器中的信號做出相應(yīng)的一系列操作；另一方面用戶可以通過鍵盤、觸摸屏、計算機(jī)、手持遙控器等人機(jī)接

10、口來控制家中的電子電器產(chǎn)品?！靶畔⒓译姟笔菍⒕W(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)家電（包括白色家電：電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等；黑色家電：電視機(jī)、錄像機(jī)、音響、VCD、DVD等）而新創(chuàng)的產(chǎn)品，是為數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更加廣泛地深入家庭生活而設(shè)計的新型家用電器，也即所有能夠通過網(wǎng)絡(luò)交互信息的家電產(chǎn)品。“家庭網(wǎng)絡(luò)”則是隨著信息家電的出現(xiàn)和Internet應(yīng)用的普與而發(fā)展起來的，是在家中連接電腦、通訊設(shè)備與智能家電，集信息、娛樂、通信、計算等多種功能為一體的網(wǎng)絡(luò)。它最初起源于家庭設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)，但是由于大量的實時的與多媒體有關(guān)的新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，使其對帶寬的要求越來越高。因此，出現(xiàn)了融合控制網(wǎng)絡(luò)和多媒體信息網(wǎng)絡(luò)于一體

11、的“家庭總線”?！熬W(wǎng)絡(luò)家電”是將普通家用電器利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能控制技術(shù)設(shè)計改進(jìn)的新型家電產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)家電可以互聯(lián)組成一個家庭部網(wǎng)絡(luò)，同時這個家庭網(wǎng)絡(luò)又可以與外部互聯(lián)網(wǎng)通信。其主要功能是:遠(yuǎn)程控制和查詢，網(wǎng)上購物，家電網(wǎng)上升級，集中控制與管理，故障信息自診斷、自反饋并可以享受遠(yuǎn)程維護(hù)等。1.2 電力線通信技術(shù)介紹電力線通信技術(shù)（Power Line Communication）簡稱PLC，是利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻信號加載于電流，然后用電線傳輸，接受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計算機(jī)或，以實現(xiàn)信息傳遞。利用輸電線路作為信號

12、的傳輸媒介，人們利用電力線可以傳輸、電報、遠(yuǎn)動、數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方保護(hù)信號等。由于電力線機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性好，不需要線路的基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常的維護(hù)費(fèi)用，因此PLC具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)務(wù)通信以與各種信息傳輸方面發(fā)揮了重要作用。圖1.2 電力線高速通信技術(shù)在家庭中的應(yīng)用近幾年，隨著Internet技術(shù)的發(fā)展與寬帶局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的全面建設(shè)，登陸上網(wǎng)的人數(shù)成倍增長，家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將是下一個數(shù)字化目標(biāo)。然而，采用何種方式使用戶終端連接到距離用戶最近的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備(被稱為“最后一公里”問題)，是近年來網(wǎng)絡(luò)界的爭議焦點(diǎn)。目前有多種技術(shù)解決這一問題。利用己有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施解決“最后

13、一公里”接入問題的技術(shù)有DSL技術(shù)、Home PNA(Home Phone line Networking Alliance)技術(shù)、電力線通信(PLC)技術(shù)和Cable Modem技術(shù)。除了以上利用己有資源解決接入問題的技術(shù)外，還有10M以太網(wǎng)入戶技術(shù)(幾種通信技術(shù)的比較見表1)。由于電力線具有普遍性、接入簡單、價格低廉以與不用布線等顯著特點(diǎn)，被業(yè)人士看好。而且，電力線通信網(wǎng)能同時傳輸視頻、語音、數(shù)據(jù)和電力，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到幾兆乃至幾十兆，這樣就有可能帶來“四網(wǎng)合一”的新趨勢（如圖1.2）。PCL技術(shù)利用家用電源插座充當(dāng)通信接口，為用戶提供高速接入服務(wù)，使電力公司能夠介入ISP和工CP市場，

14、為其帶來新的利潤增長點(diǎn)，在傳統(tǒng)的電信市場中成為強(qiáng)有力的競爭者。此外，也為電力公司提供了一個拓展業(yè)務(wù)圍的機(jī)會，從而在自由競爭的市場中獲得更強(qiáng)的競爭力和更可觀的利潤。除了解決“最后一公里”問題，電力線通信網(wǎng)還是家庭自動化的生力軍，同時也可以完成遠(yuǎn)程自動抄表(包括氣、水、電表等)，消防、保安等任務(wù)。家庭聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用PCL的另一個重要特點(diǎn)?？梢詫⒓彝サ亩嗯_計算機(jī)之間，計算機(jī)同打印機(jī)之間，計算機(jī)同掃描儀、數(shù)字 機(jī)、以與其他數(shù)字家電等設(shè)備通過電力線相連，組成家庭網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供更舒適、方便的生活和工作環(huán)境。而且電力網(wǎng)絡(luò)具有無處不在的優(yōu)點(diǎn)，采用電力網(wǎng)可以減少在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上的巨額投資，而這一點(diǎn)正是制約寬帶應(yīng)用的重

15、要因素。電力線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)非常簡單，只需連接電源插座和必要的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，就可實現(xiàn)數(shù)字設(shè)備之間的相互通信。而且在房間任何有電源插座的地方都可連接互聯(lián)網(wǎng)，并永久在線。因此，電力線通信技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。該項技術(shù)一旦進(jìn)入商業(yè)化階段，將會促進(jìn)電信市場的變革，并給互聯(lián)網(wǎng)普與帶來極大的發(fā)展空間。表1.1 各種通信技術(shù)比較通信方式速率（bps）可否同信傳輸語音物理介質(zhì)評價模擬調(diào)制解調(diào)器56k否雙絞線應(yīng)用廣泛、廉價但速度慢ISDN128k是雙絞線應(yīng)用不廣泛，較普通線稍貴XDSL8M 上行2M 下行是雙絞線不干擾普通線使用，頻寬受距離限制有線電視網(wǎng)10M（取決用戶數(shù)）否同軸電纜必須擁有現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)接入，并改

16、造為雙向傳輸；在新區(qū)域開辦服務(wù)和鋪設(shè)線路造價高；共享帶寬，可組網(wǎng)網(wǎng)高速PLC2M-45M是電力線無需新線，分布廣泛，接入方便2 基于電力線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能家居系統(tǒng)是一個基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的智能住宅管理控制系統(tǒng)。鑒于我國家庭居住環(huán)境多以小區(qū)為單位，本文開發(fā)的智能家居系統(tǒng)主要是由數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)、住宅接入網(wǎng)絡(luò)、小區(qū)管理中心控制平臺構(gòu)成，如圖2.1所示。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是基于網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端(Intelligent Control Data Terminal on Network，以下簡稱ICDT)的集中控制系統(tǒng)，通過它完成對家庭部各種傳感器、表計與控制器的數(shù)據(jù)采集和控制，家庭

17、部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸采用低壓電力線載波的通信方式。住宅接入網(wǎng)絡(luò)是小區(qū)局域網(wǎng)到住宅家庭網(wǎng)絡(luò)的延伸，可以穩(wěn)定運(yùn)行在多種寬帶接入網(wǎng)絡(luò)上，如以太網(wǎng)LNA、高速PCL或ADSL接入網(wǎng)絡(luò)等。小區(qū)管理中心是基于以太網(wǎng)的信息平臺，采用C/S與B/S相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要由中心管理服務(wù)器、控制工作站與互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)路由器組成，完成對整個小區(qū)住宅的智能化控制和管理。圖2.1 智能家居管理控制系統(tǒng)示意圖論文所設(shè)計的智能家居管理系統(tǒng)建立在小區(qū)局域網(wǎng)平臺上，利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€分布式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖2.2中可以清晰地了解到整個智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其工作流程。圖2.2 基于PLC技術(shù)的智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

18、在小區(qū)的每一住戶家中安裝一臺ICDT，每臺分配固定的IP地址。家庭部，所有輸出設(shè)備，如報警探測器、求助按鈕、電子式脈沖表，它們的信號I/O口均接有一樣的電力線載波通信模塊(即EPLC一6005載波模塊，以下簡稱為“從站”模塊)，通過室電力線，連接到ICDT的I/0口處嵌的電力線通信模塊(即EPLC-600載波模塊，以下簡稱為“主站”模塊)，這樣ICDT便可采集到上傳信號。采用同樣連接方式，家中的輸入裝置，如警燈警號與各種家用電器等也連接到ICDT，由ICDT的外設(shè)鍵盤進(jìn)行開關(guān)控制，也可以通過或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)布防、撤防、查詢、家用電器控制等操作。在網(wǎng)絡(luò)接口的輸出端口連接14MbpS電力

19、線調(diào)制解調(diào)器，同樣在小區(qū)管理中心的PC上也連接一臺14MbPs電力線調(diào)制解調(diào)器，這樣通過小區(qū)的電力線網(wǎng)絡(luò)，即可實現(xiàn)各住戶的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)與小區(qū)管理中心的相互通信了。在小區(qū)管理中心，對配備的PC性能要求比較高，令其作為中心服務(wù)器，運(yùn)行管理控制軟件，數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，以實現(xiàn)小區(qū)對所有住戶家中的ICDT的配置和管理。電力線載波通信模塊，即主從站，也是本系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)，它們承擔(dān)系統(tǒng)的模擬量采集、脈沖量采集和開關(guān)量采集任務(wù)。戶的溫度控制器、水浸控制器等設(shè)備中加裝的模塊進(jìn)行模擬量采集,從站將控制器輸入的模擬量(電流值4-20mA)轉(zhuǎn)換為電平信號，以0、1數(shù)字量通過單片機(jī)寫入數(shù)字幀，再經(jīng)調(diào)制解調(diào)芯片轉(zhuǎn)

20、換為載波信號，通過電力線發(fā)送給主站，主站采用類似原理，將接收的載波信號解調(diào)出數(shù)字幀，解讀還原為數(shù)字量發(fā)給ICDT。四表(水電氣熱表)抄送屬脈沖量采集，即從站采集脈沖量，轉(zhuǎn)換為載波信號發(fā)送給主站，主站還原脈沖量，上傳給ICDT。其余設(shè)備，如門窗磁、緊急按鈕、家電控制器、警鈴警燈等，無論輸入輸出都屬開關(guān)量采集，工作原理與前兩者類似。2.2 14Mbps電力線高速通信設(shè)備在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用前文對基于電力線載波技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了整體分析，電力線載波技術(shù)起到了舉足輕重的作用。以傳統(tǒng)布線連接方式設(shè)計智能家居系統(tǒng)，是無法避免室戶外重新布線所帶來的工程量繁重和二次投資的。電力線載波技術(shù)在該系統(tǒng)

21、中的靈活應(yīng)用，使智能家居系統(tǒng)以嶄新的方式呈現(xiàn)出來。于室，采用低壓電力線低速載波技術(shù)，設(shè)計電力線載波通信模塊，完成智能家居裝置與家庭網(wǎng)關(guān)之間的通信，關(guān)于此通信模塊的設(shè)計詳見第五章。在戶外，采用日趨成熟的電力線高速通信技術(shù)，在家庭網(wǎng)關(guān)輸出端口和小區(qū)管理中心的HUB上分別連接14Mbps電力線調(diào)制解調(diào)器，通過已有的小區(qū)電力線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)小區(qū)局域網(wǎng)的通信和家庭對Internet訪問。下面簡單介紹一下應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中的電力線通信技術(shù)。2.2.1 14Mbps PLC調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理14Mbps PCL調(diào)制解調(diào)器主要由用戶接口單元、調(diào)制解調(diào)和耦合單元三部分組成。接口單元是指電力線調(diào)制解調(diào)器同用戶

22、設(shè)備間的雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，這些接口包括同計算機(jī)之間的RJ-45以太網(wǎng)接口或UBS接口。調(diào)制解調(diào)部分由數(shù)字信號處理單元和相應(yīng)的外圍電路組成。數(shù)字信號處理單元負(fù)責(zé)同用戶設(shè)備間的雙向通信，并將來自用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制后送往外圍電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大、濾波，或是將來自外圍電路經(jīng)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼后送往用戶設(shè)備。耦合單元是電力線同調(diào)制解調(diào)器部分的結(jié)合設(shè)備，它將調(diào)制好的高頻模擬信號送入電力線進(jìn)行傳輸，或從電力線上提取出高頻信號以便進(jìn)行解調(diào)。圖2.3中給出了EPLC-14M調(diào)制解調(diào)器部電路組成框圖。EPLC-14M調(diào)制解調(diào)器的主控制元件是通過外圍的數(shù)據(jù)處理電路與電力線相連接的。

23、電力線路上的耦合器隔離了電力線上的高壓信號。該系統(tǒng)采用ODFM的載波調(diào)制方式。在EPLC-14M系統(tǒng)接收端，將接收到的信號分成幾路載波，然后與本地晶振信號混合，產(chǎn)生新的信號；將這幾路信號傳送到EPLC-14M系統(tǒng)的接收裝置，再通過以太網(wǎng)口或者USB接口與計算機(jī)或智能電器相連。在EPLC-14M系統(tǒng)發(fā)射端，先通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將本地客戶機(jī)發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成模擬信號，再進(jìn)行相應(yīng)的濾波整形放大，然后傳送給發(fā)射裝置，這樣客戶機(jī)的數(shù)據(jù)信息就可通過電力線輸出。EPLC-14M調(diào)制解調(diào)器采用Intel的1NT5130(144腳LQFP封裝的集成有MAC/PHY的收發(fā)器)作為核心芯片?；贜IT5130，搭建合

24、理外圍電路，實現(xiàn)了調(diào)制解調(diào)器的14MbpS高速數(shù)據(jù)傳輸。圖2.3 EPLC-14M調(diào)制解調(diào)器部電路組成框圖2.2.2 14Mbps電力線高速通信系統(tǒng)功能14Mbps電力線可以解決寬帶到小區(qū)后的最后300米問題，實現(xiàn)自配電變壓器至用戶家庭的全電力線介質(zhì)接入網(wǎng)，無需布線、無需穿墻過孔、不破壞裝修，節(jié)省人力物力。它特別適合寬帶到樓邊的最后100米應(yīng)用，是寬帶入戶的理想解決方案。它的帶寬達(dá)14Mbps，吞吐量高達(dá)6-7Mbps，完全滿足家庭部多臺計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的需要，可以實現(xiàn)Internet連接、打印機(jī)、文件等資源的共享，也可以進(jìn)行多人互動在線網(wǎng)絡(luò)游戲。實現(xiàn)這一切無需布線、不破壞裝修。而且它可以在家庭寬帶

25、入口處加裝EPCL-14ME電力線一以太網(wǎng)橋，其以太網(wǎng)口同入戶寬帶接口相連，電力線接口插入家中任一墻上插座，即可在家庭任一有墻上插座的房間享受有線移動網(wǎng)絡(luò)帶來的便利。用它進(jìn)一步將通信模塊嵌入智能家居裝置中，可以享受到智能家居系統(tǒng)給人們生活帶來的極大便利。利用其永久在線特性可以搭建集安防、監(jiān)控于一體的智能化家庭管理?？梢越⒓鐓^(qū)電子商務(wù)服務(wù)和遠(yuǎn)程抄收水電氣熱表計的數(shù)字化社區(qū)。所以他為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供一種全新的寬帶入戶思路一租借供電公司的電力線作為通信介質(zhì)。最后它同樣適合賓館酒店的客房寬帶接入和中小企業(yè)的部聯(lián)網(wǎng)，為智能家居系統(tǒng)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。2.2.3 14Mbps電力線高速通信技術(shù)在智能

26、家居系統(tǒng)中的應(yīng)用圖2.4 14MbpS電力線高速通信系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖圖2.4中描述了整個小區(qū)智能家居系統(tǒng)中的的典型組網(wǎng)方式。在每一家庭中，14Mbps電力線高速通信設(shè)備既可以直接連接PC，用戶通過它訪問小區(qū)局域網(wǎng)和Internet，或者管理自己家庭部智能家居系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)置；也可以把該設(shè)備連接到家庭網(wǎng)關(guān)(即智能家居系統(tǒng)中的ICDT)，以便用戶通過ICDT的觸摸屏或者外掛操作按鈕與小區(qū)管理中心互通信。在小區(qū)管理中心，中央服務(wù)器連接到HUB上，通過HUB與14Mbps電力線高速通信設(shè)備連接，這樣通過小區(qū)電力線網(wǎng)絡(luò)，方便小區(qū)住戶與小區(qū)管理中心互訪。圖2.5 14M高速PLC系統(tǒng)連接應(yīng)用示意圖14Mbps

27、電力線高速通信系統(tǒng)由局端設(shè)備一電力線通信以太網(wǎng)橋EPLC-14ME和用戶端設(shè)備一電力線調(diào)制解調(diào)器EPLC一14M組成，見圖2.5。該套設(shè)備符合Home Plug電力線通信規(guī)1.0標(biāo)準(zhǔn)，在電力線上可以提供高達(dá)14MbsP的帶寬。EPLC-14ME作為電力線以太網(wǎng)橋，一般位于配電變壓器、配電柜或家庭己有寬帶入口處，實現(xiàn)傳統(tǒng)寬帶到電力線通信方式的轉(zhuǎn)變，連接方式見圖2.5(a)。以太網(wǎng)口連接寬帶入口，電力線接口直接連接到電力線上，即可實現(xiàn)以太網(wǎng)通信與電力線通信之間的轉(zhuǎn)換。EPLC-14M一般位于家庭部，直接同用戶計算機(jī)或者家庭網(wǎng)關(guān)相連，其連接方式見圖2.5(b)。若EPLC-14M與計算機(jī)相連，通過U

28、SB線連入計算機(jī)UBS接口。若連接家庭網(wǎng)關(guān)(ICDT)，由于所設(shè)計的ICDT僅提供以太網(wǎng)接口，所以在EPCL一14M中作了一些改進(jìn)，將其USB接口電路轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口電路，通過以太網(wǎng)線連接ICDT；或者在EPLC-14M的UBS連線的另一端連接USB/以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器，這樣就可方便地連接ICDT了。2.3系統(tǒng)功能本章第一節(jié)給出了智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，按此方案設(shè)計的智能家居系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種功能:防盜報警家中的各類防盜報警探頭處加裝電力線載波通信模塊一“從站模塊”(EPLC-6005)，每個從站端口均可獨(dú)立設(shè)置任意長度的延遲時間、劃分布防組別、設(shè)定端口常態(tài)(常開/常閉)，以與設(shè)定報警方式(是

29、否上報中心或本地報警)等。貴重物品防盜報警依據(jù)住戶要求可將與貴重物品相關(guān)的防盜設(shè)備設(shè)為較高報警級別，從而引起管理人員足夠重視，一旦有盜竊事件發(fā)生，瞬間開啟報警設(shè)備。多重判斷防誤報功能為防止發(fā)生誤報現(xiàn)象，小區(qū)管理中心的主控軟件應(yīng)該能夠綜合判斷室多個邏輯相關(guān)的探測器的狀態(tài)(按時間序列)和家庭設(shè)防模式。若確定屬于誤報，則主控軟件會自動地在后臺進(jìn)行遠(yuǎn)程消警，同時在數(shù)據(jù)庫中做出誤報一記錄。火災(zāi)自動探測報警用戶在煙感火災(zāi)探測器上加裝從站模塊即可實現(xiàn)。作為家庭安全的重要保護(hù)設(shè)施，煙感探測器不應(yīng)隨防盜類報警設(shè)備一同布防、撤防，因此在設(shè)置時，應(yīng)該將連接該類設(shè)備的從站模塊設(shè)為永久布防模式一即無論ICDT是否處于布

30、防狀態(tài)，在觸發(fā)條件滿足時，ICDT會立即發(fā)出報警信號。煤氣泄漏自動探測報警在燃?xì)饣馂?zāi)探測器上加裝從站模塊。同上所述，作為重要的非防盜類安全設(shè)備，住戶也應(yīng)該將相應(yīng)的載波模塊設(shè)置為永久布防模式。緊急求助用戶將緊急求助按鈕安放在家中比較醒目易操作的位置，在按鈕處也加裝從站模塊。由于其不僅是作為防盜類的報警裝置，多數(shù)是在發(fā)生緊急情況下使用的，因此也應(yīng)該設(shè)置為永久布防模式；同時，考慮到竊案發(fā)生時該設(shè)備的報警意味著受侵害者在場，因此在設(shè)置該項功能時應(yīng)設(shè)定為只上報小區(qū)管理中心而本地不報警，以減少受侵害者被發(fā)現(xiàn)的可能性。防挾持秘密報警在ICDT報警時，住戶可通過輸入防脅迫密碼撤銷本地報警，中心則將進(jìn)一步收到挾

31、持報警信號，便于管理中心采取一定措施保證住戶的人身安全。在防脅迫密碼的設(shè)計上，ICDT系統(tǒng)沒有采用簡單的統(tǒng)一密碼(因為此類密碼易被不法分子察覺，可能導(dǎo)致住戶的安全受到進(jìn)一步的威脅)，而是在原有密碼的特定位置上加/減特定的數(shù)(該特定位置與特定數(shù)可由住戶指定)。由于住戶密碼可自行設(shè)定，則在保證密碼安全的同時也最大限度的實現(xiàn)了防脅迫秘密報警的獨(dú)特功育旨。水、電、氣、暖氣多表遠(yuǎn)程自動抄收在各種脈沖計量表的信號輸出端口加裝從站模塊，從站模塊的主控單元定義靈活，適用圍廣，不存在特殊性，可隨著房屋表計的加減以與位置變換，隨意撤換定義從站模塊。另外，對于不同的表計制造廠家所采用的單位脈沖計數(shù)技術(shù)不一致的情況，

32、只需在主控軟件上進(jìn)行設(shè)置即可靈活改變。小區(qū)部電子公告小區(qū)管理中心可以通過小區(qū)廣播方式或特定通知方式，選擇單戶或多戶，向各戶家中ICDT發(fā)送中、英文電子公告消息，如小區(qū)娛樂活動安排、催繳費(fèi)用通知，以與重要新聞等。ICDT系統(tǒng)的顯示界面可滾動存儲六條電子公告。INTERNET電子短信息住戶登錄小區(qū)局域后，除了可以查詢自己家中的相關(guān)信息、控制家用電器設(shè)備外，還可向其他住戶家中的網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端發(fā)送電子短信息。當(dāng)然，為防止網(wǎng)絡(luò)騷擾行為，只有本小區(qū)的住戶才有權(quán)限互發(fā)電子信息，而且只允許對單戶發(fā)送。住戶家用設(shè)備報修對于業(yè)已達(dá)成維護(hù)協(xié)議的戶設(shè)備，住戶可以在其發(fā)生故障時通過家中的網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端向小區(qū)

33、管理中心發(fā)出報修申請。由于該項功能是ICDT實時訪問小區(qū)管理中心數(shù)據(jù)庫的方式實現(xiàn)的，所以小區(qū)需要具備電子商務(wù)。照明控制系統(tǒng)照明系統(tǒng)主要由日光燈、吊燈、壁燈、射燈和落地臺燈等組成。除日光燈外，其它燈均可作亮度調(diào)節(jié)，以滿足各種需要。燈光會根據(jù)不同的情景，做出相應(yīng)的調(diào)整，例如，欣賞影片時，自動調(diào)暗燈光。只需要輕觸一個按鈕便可產(chǎn)生一種預(yù)先設(shè)定的照明效果，使用方便。遠(yuǎn)程家用電器控制網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端的置電力線載波通信模塊一“主站模塊”(EPLC一600)，可以實現(xiàn)家用電器的輸出控制功能。住戶可以通過撥打或者從Internet登錄小區(qū)了解家用電器設(shè)備的開關(guān)狀況，并且可以控制家用電器設(shè)備的開啟關(guān)閉。通過I

34、CDT系統(tǒng)的外置鍵盤，住戶還可以直接對任一從站模塊進(jìn)行設(shè)定，例如家用電器開啟/關(guān)閉的時間設(shè)定。置HUB芯片提供多個信息口網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)在保證自身在小區(qū)局域網(wǎng)上正常運(yùn)行的同時，還可以以很低的成本擴(kuò)展出三個信息口為住戶登陸Internet、加設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或進(jìn)行家庭部組網(wǎng)提供方便。從而在滿足住戶對上網(wǎng)點(diǎn)的位置隨意性與數(shù)量要求的同時，還有效地避免了對小區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口的進(jìn)一步占用。2.4系統(tǒng)特點(diǎn)基于TCPI/P協(xié)議的數(shù)據(jù)終端，具有信息采集、存儲和通信三大功能。住戶可通過與Internet查詢報警記錄、家電開閉狀態(tài)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程家電控制與布防功能；發(fā)生報警事件時，系統(tǒng)將自動撥打用戶預(yù)設(shè)告知報警類型、

35、報警時間等相關(guān)情況。另外，住戶還可通過Internet向家中的發(fā)送操作短信息。從站模塊可靈活定義，安裝、調(diào)試方便，可掛接到各種探測器與脈沖計量表等。設(shè)備，升級、維護(hù)也比較簡單；住戶還可以通過計算機(jī)軟件程序操作，任意命名設(shè)備名稱以便識別，針對不同設(shè)備所連接的從站模塊進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)置，而最大限度地滿足各個家庭實際應(yīng)用的需要。ICDT的I/O口可靈活設(shè)置I/O信號的接收脈寬，對于不同的脈沖表可設(shè)置單位量程的脈沖數(shù)，從而最大限度的保證了對不同型號外接設(shè)備的兼容性，有利于降低外接設(shè)備受干擾產(chǎn)生誤報警的可能。家庭部數(shù)據(jù)傳輸采用電力線數(shù)字載波通信技術(shù)，無需重新布線，方便可靠；家庭與外界通信采用日益成熟的電

36、力線高速通信技術(shù)，應(yīng)用14Mbps電力線調(diào)制解調(diào)器，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效的寬帶通信。3 智能家居系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)(ICDT)設(shè)計3.1 ICDT介紹網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端(ICDT)充當(dāng)比較特殊的角色，它聯(lián)系家庭部所有的智能家居裝置，也是家庭智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接外部網(wǎng)絡(luò)的中樞，顯然ICDT是智能家居系統(tǒng)的核心單元，通常稱為“家庭網(wǎng)關(guān)”，如圖3.1所示。小區(qū)管理中心服務(wù)器小區(qū)局域網(wǎng)熱量表模塊燃?xì)庑孤┨筋^門磁模塊應(yīng)急按鈕電表模塊紅外探頭模塊煙感報警模塊窗磁模塊水表模塊氣表模塊 高速PLCPCICDT照明系統(tǒng)模塊家用電器警燈報警模塊室電力線RUI擴(kuò)展 圖3.1 IDTC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖作為家庭網(wǎng)關(guān)，ICDT要有很

37、好的適應(yīng)性，能為智能家居系統(tǒng)提供了友好的人機(jī)界面，方便用戶操作。ICDT所管理控制的智能裝置分為兩種:輸入/輸出設(shè)備。圖3.1中，室電力線主干路的上方標(biāo)注輸入設(shè)備，ICDT采集讀取它們的輸入數(shù)據(jù)和發(fā)送信號；下方標(biāo)注輸出設(shè)備，ICDT向它們發(fā)送控制命令，實現(xiàn)相應(yīng)操作。ICDT在結(jié)構(gòu)上主要由兩個部分組成:通信接口單元和智能控制單元，兩個單元之間通過異步通信接口互連，通信接口單元提供了從電力線通信網(wǎng)絡(luò)到智能控制單元之間的接口。通信接口單元集成了10M以太網(wǎng)卡和4口的HBU芯片，其主要作用是處理網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。從網(wǎng)絡(luò)輸入的數(shù)據(jù)包被處理掉所有的協(xié)議頭，并在緩沖區(qū)重新裝配成完整的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，經(jīng)過異步通信端口

38、發(fā)送到智能控制單元。從智能控制單元發(fā)過來的數(shù)據(jù)在通信接口單元被拆分、打包并加上協(xié)議頭發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。介質(zhì)訪問協(xié)議采用以太網(wǎng)IEEE802.3，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議采用TCP/IP。接口單元共有4個RJ45口，分為兩組，其中1個為專用的網(wǎng)絡(luò)接口，用于連接14MbsP電力線調(diào)制解調(diào)器(也可以連接其它類型的寬帶網(wǎng)絡(luò)線路)，其余接口用于連接PC或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。智能控制單元的主要作用是執(zhí)行數(shù)據(jù)、開關(guān)量、脈沖量的輸入輸出，實現(xiàn)安防檢測、計量表讀數(shù)計數(shù)、報警與家用電器設(shè)備的控制功能。用戶可以通過智能控制單元外設(shè)的鍵盤布防、撤防，開關(guān)電器、控制燈光，以與查詢當(dāng)前水電氣表讀數(shù)與費(fèi)用。物業(yè)管理公司也可以通過訪問小區(qū)管理中心

39、的主控CP與時通知住戶交納各項費(fèi)用。另外，ICDT還具有較強(qiáng)擴(kuò)展性，可以連接分機(jī)，這主要是根據(jù)別墅型建筑的特點(diǎn)與復(fù)式結(jié)構(gòu)住宅的需要所設(shè)計的，可在同一個住戶再安裝一臺ICDT作分機(jī)使用，為用戶提供了更多方便。3.2 ICDT的硬件設(shè)計ICDT的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖3.2所示。控制器選用Intel高性能16位單片機(jī)80C196KC，在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分別擴(kuò)展了32BK數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。25045集看門狗定時器、電壓監(jiān)控和E2PORM(5128bit)于一體，用來存儲記憶系統(tǒng)的一些基本參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)個數(shù)、每個節(jié)點(diǎn)的特征參數(shù)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符與一些與節(jié)點(diǎn)相關(guān)的聯(lián)系。串行實時時鐘采用DSI302，提供秒、分

40、、小時、日、月、年實時信息，且能根據(jù)月份和閏年情況自動調(diào)整月份和結(jié)束日期。并行芯片8255擴(kuò)展了4X5鍵盤接口，為用戶設(shè)置、查詢提供輸入接口。點(diǎn)陣圖形液晶顯示器選用MGL(5)12864，字庫由字模提取軟件生成，存在EPROM中。圖3.2 IDCT硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)原理圖ICDT中嵌主站電力線，它與從站電力線載波模塊(下位機(jī)節(jié)點(diǎn))之間是通過戶現(xiàn)成電力線連接的。主從站電力線載波模塊的設(shè)計詳見第五章，此處不再贅述。與Ethernet網(wǎng)的連接選用了基于Rabbit2000微處理器與Ethernet芯片開發(fā)的Rabbit2000TCP/IP開發(fā)工具箱，它是含TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，提供了一個帶有

41、8位高性能的微處理器工作平臺和動態(tài)C語言軟件開發(fā)包。開發(fā)板提供1個與SR一232接口、1個與廠商配置的端口(既可用于SR-485，又可用于SR-232)、4個高速電流輸出設(shè)備、4個數(shù)據(jù)輸入設(shè)備、7個定時器、1個實時電池支持時鐘和1個10Base-T以太網(wǎng)接口，并提供了TCP/IP協(xié)議的全部源代碼，實現(xiàn)了TCP/IP和SR-232之間的相互轉(zhuǎn)換，為現(xiàn)場設(shè)備的上網(wǎng)提供了軟硬件平臺。3.3 ICDT操作系統(tǒng)特點(diǎn)ICDT的操作系統(tǒng)是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的控制平臺。由于它控制和監(jiān)測的對象十分明確，即家庭中所有的微控制器和電器設(shè)備，因此ICDT操作系統(tǒng)必然是一個專用的系統(tǒng)，這樣不僅可以提高控制和監(jiān)測功能完成的效率

42、，同時也可節(jié)省硬件資源，利于降低成本。因此，ICDT操作系統(tǒng)是不適宜從現(xiàn)有的Windows CE或Linux等操作系統(tǒng)剪裁增補(bǔ)而成，應(yīng)該從所需要完成的功能目標(biāo)出發(fā)，有針對性地專門設(shè)計。ICDT操作系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn):(l)它是嵌式操作系統(tǒng)。ICDT任務(wù)比較單一，主要功能就是控制與通信，其載體通常為單片機(jī)，存儲容量有限，而實際上該控制平臺的核也是比較小的，一般10K-30K左右，所以考慮采用嵌模式是最合適的了。(2)它是分布式操作系統(tǒng)。論文中，智能家居系統(tǒng)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是分布式的，與之相適應(yīng)的軟件平臺也必然采用分布式結(jié)構(gòu)。分布式的系統(tǒng)要求每一個從站系統(tǒng)要有獨(dú)立性，能僅依靠自己的硬件軟件資源

43、即可獨(dú)立地完成一定的任務(wù)；同時每一從站還應(yīng)該與其它從站系統(tǒng)有密切聯(lián)系，以便協(xié)同完成一項或多項任務(wù)。所以這就對ICDT操作系統(tǒng)提出了更高要求:很強(qiáng)的互動和協(xié)同工作能力，而且還要設(shè)置簡單、便捷。(3)它是以通信功能為主的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。由于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的總線分布式結(jié)構(gòu)，各從站之間的信息交換比較頻繁，而家庭中的控制又相對簡單，所以系統(tǒng)對通信的速度和質(zhì)量要求十分高。但數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的最終任務(wù)畢竟是實現(xiàn)對家庭中的所有家電和微控制裝置的的控制和監(jiān)，通信只是實現(xiàn)任務(wù)過程中的重要步驟，也不能太過忽視控制方面的研究工作。這恰恰體現(xiàn)ICDT操作系統(tǒng)的專用性。(4)它是面向家用電器/微控制設(shè)備連接的專用操作系統(tǒng)。ICD

44、T操作系統(tǒng)對調(diào)用用戶的程序和對設(shè)備的驅(qū)動控制應(yīng)該有充分的靈活性。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備是在不斷變化更新的，所以ICDT操作系統(tǒng)必須能適應(yīng)這種需求。4 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計4.1 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇論文中提與的智能家居系統(tǒng)，是通過ICDT(網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端)直接控制和管理智能家居系統(tǒng)中的監(jiān)測和控制模塊，實現(xiàn)表計讀取、安防監(jiān)控、家用電器調(diào)控以與照明開/關(guān)等功能。網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端ICDT與智能家居系統(tǒng)中的各個模塊之間的通信過程是半雙工通信，主要任務(wù)是:ICDT采集/接收各種智能家居模塊的數(shù)據(jù)量或狀態(tài)信息，并向智能模塊發(fā)送相應(yīng)的管理/控制命令:各智能模塊上傳檢測數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，接收來

45、自ICDT的管理控制命令，并進(jìn)行相應(yīng)動作。目前可以采取多種通信方式實現(xiàn)兩者之間的通訊，具有代表意義的有:RS-232/RS-485雙絞線通信；電力線載波通信；無線通信(無線局域網(wǎng)，藍(lán)牙等)，紅外線傳輸，光纖，以太網(wǎng)等。相對其它通信方式，電力線無處不在的特點(diǎn)最適合用作智能家居自動化系統(tǒng)的通信介質(zhì)，利用電力線載波數(shù)據(jù)通信技術(shù)實現(xiàn)家庭控制和管理是具有一定優(yōu)勢的。電力線載波通信除具備有線移動的特點(diǎn)以外，還具備造價成本低、通信性能相對穩(wěn)定、性強(qiáng)、不易受空間電磁干擾、不受建筑物阻擋影響等優(yōu)點(diǎn)，因此采用電力線載波通信方式實現(xiàn)ICDT與檢測和控制裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸是較為合理的選擇。4.2 電力線載波通信模塊的

46、基本原理電力線載波通信系統(tǒng)是由載波設(shè)備、電力線和電力線禍合設(shè)備組成。發(fā)送端把采集到的原始信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后進(jìn)行相應(yīng)處理，轉(zhuǎn)變成適合電力線傳輸?shù)妮d波信號，信號經(jīng)電力線傳輸?shù)浇邮斩说慕庹{(diào)器，再經(jīng)過反向處理，在接收端得到還原后的原始信號。電力線數(shù)字載波通信技術(shù)的原理詳見框圖4.1。圖4.1 電力線數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成4.3 通信模塊的設(shè)計原理將電力線數(shù)字載波通信技術(shù)的基本理論運(yùn)用到實際中，在論文所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)中，實現(xiàn)了這個原理的最簡單應(yīng)用。圖4.2中主站/從站即為本文所設(shè)計的電力線數(shù)字載波通信模塊。圖4.2 主從站通信系統(tǒng)框圖由于設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端的信號I/O口處的通信模塊，與各表計

47、脈沖信號輸出端口、家用電器的控制信號I/O口、以與各種安防報警信號輸出端口等處的通信模塊的復(fù)雜程度不一樣，實現(xiàn)的功能也不盡一樣。所以，設(shè)計過程中考慮設(shè)計兩種類型的電力線通信模塊:主站通信模塊和從站通信模塊。主站模塊(圖4.3中(a)所示)設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端處(嵌于ICDT中)，從站模塊(圖4.3中(b)所示)設(shè)置在各種智能模塊的信號出口端。主站與從站之間實現(xiàn)透明傳輸。從站采集到需要上傳的脈沖信號，處理，調(diào)制，轉(zhuǎn)換成適合電力線傳輸?shù)哪M信號，經(jīng)電力線發(fā)送至主站；主站接收從站的上傳信號，解調(diào)，還原為初始的脈沖信號，再通過I/O口發(fā)送至ICDT，進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。同樣地，當(dāng)ICDT要向各受控

48、裝置下傳命令信號時，先是主站進(jìn)行信號處理，調(diào)制，經(jīng)電力線傳送，從站解調(diào)接收的信號，還原，再通過I/0口發(fā)送給相應(yīng)的智能裝置，實現(xiàn)ICDT的控制功能。圖4.3 電力線載波通信模塊組成結(jié)構(gòu)圖盡管主從站模塊在系統(tǒng)中的任務(wù)和作用有所差異，但設(shè)計的基本思路還是一致的。以下重點(diǎn)介紹其通信模塊的硬件設(shè)計，并給出程序設(shè)計的流程圖與設(shè)計思路。4.4 主從站模塊硬件設(shè)計論文設(shè)計的通信模塊主要由兩部分組成:數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收單元和主控制器。數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收單元提供通信底層的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。主控制器將命令和數(shù)據(jù)翻譯過來提供給用戶使用，并提供上層(包含應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層)的通信協(xié)議。通信過程中，輸出信號的放大與

49、濾波、輸入信號濾波以與節(jié)點(diǎn)與電力線介質(zhì)之間的禍合等功能則是由外部電路來完成的。4.4.1 主站/從站通信模塊所采用的核心芯片PL2101PL2101是專為電力線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器，是PL200O的升級產(chǎn)品。它僅由單一的+5V電源供電，以與一個外部的接口電路與電力線禍合。PZL101除具備原有系統(tǒng)基本的通訊控制功能:二相相移鍵控，120kHz載頻，帶寬15kHz，數(shù)據(jù)速率500bps；接收靈敏度為50(500bps)；15位偽碼長度，可編程同步捕獲門限；可編程時鐘(掉電后電池維護(hù))I/O口帶150V ESD保護(hù)等。它還置了四種常用的功能電路:32 Bytes SRAM，電壓監(jiān)測，

50、看門狗定時器與復(fù)位電路，它們通過標(biāo)準(zhǔn)的IZC接口與外部的微處理器相聯(lián)。PL2101芯片部建有高靈敏度放大器與四象限模擬乘法器，進(jìn)一步提高了集成度，無需外部模擬混頻器。芯片PZL101是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。信噪比數(shù)據(jù)傳輸特性比芯片PL2000有了大幅度的提高，同時將數(shù)據(jù)傳輸速率提升了一倍。由于采用了直接序列擴(kuò)頻(所謂直接序列擴(kuò)頻一Direct Sequence Spread Spectrum，縮寫DSSS，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號的頻譜；而在接收端，用一樣的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息)、數(shù)字信號處

51、理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，以與大規(guī)模的數(shù)字/模擬混合0.5um CMOS工藝制作，所以具有較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落性能。芯片PL2101的發(fā)送接收工作時序:當(dāng)芯片處于發(fā)射態(tài)時，由于PL2101部由HEAD的上升沿對RXD_TXD的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，故外部MCU應(yīng)當(dāng)在HEAD的下降沿后將數(shù)據(jù)置于RXD_TXD管腳。當(dāng)芯片處于接收態(tài)時，由于PL2101部由HEAD的上升沿對部解調(diào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存輸出，故外部MCU應(yīng)當(dāng)在HEAD的下降沿后讀取PL2101接收到的數(shù)據(jù)。芯片PL2101的時序接口引出兩個管腳:SDA串行地址/數(shù)據(jù)輸入/輸出和SCL串行時鐘端。SDA是一個雙向傳輸端，用于傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)進(jìn)入PL

52、2101，以與從PL2101發(fā)送數(shù)據(jù)至外部MCU或其它控制器件。對于一般的數(shù)據(jù)傳輸，僅在SCL為低期間SDA才可以變化。在SCL為高期間變化，留給指示START(開始)和STOP(停止)條件。SCL為時鐘輸入端，用于同步進(jìn)入PL2101和從PL2101發(fā)出的數(shù)據(jù)。4.4.2 MCU介紹芯片PL2101支持雙向兩線總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。當(dāng)器件處于傳送數(shù)據(jù)到總線狀態(tài)時，我們稱之為發(fā)送器，當(dāng)器件處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時則稱為接收器。總線必須由一個主器件控制，選擇MCU作為該通信模塊的主器件，它產(chǎn)生串行時鐘(SCL)，控制總線存取，并且產(chǎn)生開始位(START)和停止位(END)，芯片PL2101作為從器件工作

53、。主器件和從器件都能工作于發(fā)送器或者接收器的狀態(tài)，但何種方式有效由主器件MCU決定。主站通信模塊中的MCU采用AT89C52單片機(jī)芯片，從站通信模塊中采用AT89C2051單片機(jī)芯片。AT89C52是一種采用MCOS工藝制造的高性能低功耗的8位微控制器，擁有8Kbytes的電擦除可編程只讀XI存(Flash programmable and erasable read only memory)，該閃存允許在系統(tǒng)再編程，或通過傳統(tǒng)的非易失性存儲器編程。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51/8OC52指令和引腳相兼容。由于在單片電路上集成了通用的8位CUP和閃速存儲器，AT89C52成為功能強(qiáng)大的微控制器，為

54、許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種高效靈活的解決方案。AT89c52提供256bytesRAM，32條I/O線，3個16位定時/計數(shù)器，六個向量二級中斷結(jié)構(gòu)，1個全雙向的串行口，還具備片振蕩器和時鐘電路。a)I/O通道分配:P0:地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線。P1:Pl.0一P1.1與E2PR0M24C02連接，PI.2Pl.4與多路電子開關(guān)CD4052連接。Pl.5Pl.7與串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX187連接。P2:地址總線。b)E2PROM之所以選用E2PROM，是因為E2PROM在工作電壓下就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀和寫，這樣，就可以在編制應(yīng)用程序時，在特定條件下從E2PROM中讀取重要參數(shù)或在E2PROM保存重

55、要參數(shù)。AT80C2051是一種帶2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，該器件采用ATMEL高密度、非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和引腳相兼容，由于將通用的8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，AT89C2051是一種高效微控制器，為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活性高且價廉的有效解決方案。AT89CZO51具有以下一些標(biāo)準(zhǔn)特性:2K字節(jié)的閃存PROM、128字節(jié)RAM，15個I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器，6個兩級中斷源結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一個精確的模擬比較器，片振蕩器和時鐘電路，具有2.7V至6V的電壓

56、工作圍和12MHz/24MHz工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖。此外，AT89C2051設(shè)計穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的省電模式:在閑置模式下，CUP停止工作，但RMA、定時器/計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作；在掉電模式下，保存RAM中的容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所有其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。主站/從站單片機(jī)系統(tǒng)的工作流程是這樣的:單片機(jī)利用自身具有的串行通信口，直接接收芯片PLZ101傳送下來的串行數(shù)據(jù)，然后將所接收的各組數(shù)據(jù)通過并行口輸出，經(jīng)過數(shù)字光隔，送到數(shù)據(jù)鎖存器74LS373，最后將鎖存的數(shù)據(jù)送到D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并通過運(yùn)放將模擬信號輸出，同時顯示在ICDT界面上。反向的信號通過隔離，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)鎖存器，變成單片機(jī)所需的并行數(shù)字信號送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲單元中，再由串行口返送到芯片PL2101。本系統(tǒng)MCU的單片機(jī)程序設(shè)計詳見圖5.4和圖5.5，設(shè)計思路一目了然，分別提供了主站和從站模塊中MCU的工作程序流程圖。單片機(jī)采用MCS51系列的匯編語言編程，程序流程為總線查詢方式。它有一個標(biāo)準(zhǔn)的串行口，有4種工作方式，其中方式1是標(biāo)準(zhǔn)的10位異步通信方式，10位數(shù)據(jù)和PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串口相對應(yīng)，由串行口控制寄存器SCON設(shè)置狀態(tài)，其字節(jié)地址為98H。如下式所示。本系統(tǒng)中單片機(jī)串口控制器SCON設(shè)