引　言

智能家居是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、管理、服务于一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

目前,智能家居控制技术主要分为有线方式和无线方式两种。有线方式又可分为RS-485现场总线以及电力线等。RS-485和现场总线技术存在布线麻烦、可扩展性差等问题;无线方式虽然无需综合布线,但组网较复杂,且容易受干扰。电力线载波通信(Power Line Communication,PLC)技术是指利用配电网中的电力线作为传输媒介,实现数据传递和信息交换的一种技术。将电力线载波通信技术应用于智能家居控制系统中,不仅减小了布线麻烦,而且符合家庭网络通信的特点。

1　电力线载波通信及智能家居控制系统

1. 1　电力线载波通信技术

电力线载波通信是利用专用的调制解调芯片对数据进行调制,并加载到工频50 Hz的电力线上发送出去,然后再接收、解调、恢复为数据的过程。

常用的传统低压电力线载波通信一般采用频带传输,利用载波调制将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上。基本的调制方式分为幅值键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。随着电网结构的日趋复杂及人们对通信质量要求的不断提高,传统电力线载波通信方法已不能满足需求。目前,电力线载波通信的常用技术有扩频通信技术、码分多址复用技术和正交频分复用技术。扩频技术又可以分为直序列扩频(DSSS)、跳频扩频(FH)、跳时扩频(TH)和线性调频(Chirp)等,有些采用抗干扰能力更强的双频窄带技术来提高通信的可靠性。

1. 2　智能家居控制系统

智能家居控制系统控制着家庭中各种设备的运行,如家用电器设备、照明系统等的开启、关闭及工作状态的调节,进行安防报警,以在网络上传输信息(主要为控制信息以及一些物理量的参数)。由此可见,对智能家居控制网络实时性要求不高,但对信息传输的可靠性要求较高。这是因为它传输的信息是各种设备的控制信息,错误信息不仅可能导致设备的非正常工作,而且也会导致设备的损坏。电力线载波通信技术具有传输速率高、抗干扰能力强等特点,可满足智能家居控制系统的要求。

图1为智能家居控制系统整体构架,主要包括家庭中心控制器、家庭网关和控制器。家庭控制网络是以低压电力线为物理通信介质组建的智能家居控制网络,具有家电控制、照明控制、安防报警等功能。家庭中心控制器(计算机)作为整个智能家居系统的核心,把外部网络与家庭控制网络有机地连接,实现家庭控制网络与外部网络的信息互通。家庭网关负责接收处理中心控制器下发的命令和遥控器的无线信号,并上传中心控制器要求的状态信息;同时,还要负责远程控制命令的验证。控制器作为控制网络的命令执行部分,完成家庭网关下发命令的操作。

图1　系统整体设计框图

2　系统硬件设计

系统硬件设计主要包括家庭网关和控制器的设计。电力线载波通信模块是网关和控制器的重要组成部分。下面主要介绍家庭网关、控制器以及电力线载波通信模块的设计。

2. 1　家庭网关设计

家庭网关主要由主控MCU、电平转换电路、无线收发模块以及电力线载波通信模块组成,其设计框图如图2所示。家庭网关的主控MCU采用AT89S52单片机,负责数据的处理与转发。家庭网关与中心控制器之间的通信通过串口通信实现。利用MAX232芯片,完成RS-232电平与TTL电平的转换,将数据送入单片机进行处理。

采用RF1100射频收发模块,实现网关的遥控功能。电力线载波通信模块与主控MCU通过SPI接口进行通信,完成数据交换。

2. 2　控制器设计

控制器主要由主控MCU、输入模块、输出模块和电力线载波通信模块组成,其组成框图如图3所示。输入模块包括传感器模块、按键模块等,提供单片机外部信号的输入。单片机利用各种输出模块实现对外部设备的控制。MCU再将相应的指令通过电力线载波通信模块转发到低压220 V电力线上。

2. 3　电力线载波通信模块

本文所述的电力线载波通信模块是采用MI200E芯片设计的。MI200E是一款高集成度的电力线载波芯片,采用先进的扩频通信原理,同时具有更少的外围器件和高达2 kb/s的通信速率。MI200E专门针对低压电力线载波信道进行优化设计,内部高度集成了低噪声放大器、数字功率放大器、DSP运算模块、全数字锁相环、扩频调制解调器等部件,外部采用标准的SPI接口,并提供有效帧提示信号,采用SOP24封装,方便与MCU接口连接[1]。

在电力线载波模块中,MI200E的外围电路非常简单。MI200E芯片和低压电力线接口涉及6个引脚,分别为PA、PB、RA+、RA-、VAC+、VAC-。调制信号输出引脚PA、PB,经变压器耦合至低压电力线,如图4所示。

在T1的一次侧与二次侧都需加上一个TVS保护管,避免在线路上有高压脉冲冲击时损坏后端器件。MI200E的外围发送滤波器由一级简单的LC带通滤波器组成。对应不同的载波频率,C29、L4、C30、L12等器件的参数需要调整。接收引脚RA+、RA-间连接有LC谐振电路。MI200E可以有57.6 kHz、76.8 kHz和115.2 kHz 3种不同的载波频率,选用不同参数的器件构成谐振电路,进而从载波信号中获取信息。由于芯片内部集成了功率放大器,因此,外围电路不再需要相应电路,并且接收和发送共用耦合电路,大大减少了元器件的个数,降低了外围电路的复杂性。电力线检测引脚VAC+、VAC-用于芯片内部检测电力线过零及负载特性,如图5所示。

3　系统软件设计

系统主要软件设计包括远程控制、家庭网关和控制器设计。

3. 1　远程控制软件设计

本文利用VisualBasic 6. 0软件的WinSocket控件实现家庭控制网络的远程控制功能。Win-Socket控件提供了访问TCP和UDP网络服务的方便途径。用户编写网络程序时,只需通过设置控件的属性并调用其方法,就可连接到远程计算机上,并实现网络信息交换[2]。

本文采用TCP/IP协议实现远程计算机连接,Winsock控件具体设置如下:TCP协议的客户端必须设置服务器的名称(RemoteHost属性)、服务器正监听的端口(RemotePort),然后调用Connect方法。服务器程序必须设置该Socket的监听端口(LocalPort),然后调用Listen方法;当客户要求建立一个连接时,服务器方产生ConnectionRequest事件,如果服务器想完成连接,则调用Accept方法认可。一旦连接成功,双方计算机都能利用Send Data方法发送。当接收到数据时,发生DataArrival事件,可以在该事件中调用GetData方法接收数据,整个通信应用程序流程图如图6所示。

3. 2　家庭网关软件设计

家庭网关负责处理和转发家庭中心控制器通过串口下发的数据,以及转发下位控制器上传的数据;同时,还要处理无线模块发送的数据。串口接收流程图和网关软件流程图分别如图7、图8所示。

3. 3　控制器软件设计

控制器接收并处理网关下发的数据,执行相应的命令,其软件流程图如图9所示。

3. 4　电力线载波通信数据接收与发送

(1)数据接收。为了保证数据接收的实时性,数据接收采用中断方式进行。一次接收2 Byte,每次接收都要查询状态寄存器RI位,数据接收完后,查询CRC校验标志位CRC_Flag。CRC_Flag为1,接收正确;CRC_Flag为0,接收错误。数据接收流程图如图10所示。

4　结　语

本文采用MI200E低压电力线载波通信接口芯片,设计并实现了基于电力线载波通信的智能家居控制系统,并从硬件和软件两个方面详细阐述了系统的整体实现方案。该系统具有免布线、稳定可靠、便于扩展、即插即用等特点,有广泛的应用前景。