電力載波在智能家居內部網絡中的應用

覃世歡，吳光敏

(昆明理工大學理學院，昆明650093)

1 引言

智能家居系統是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化功能，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的智能居住環境。它由多種家庭信息終端或家用電器設備組成，能夠將各成體系、互不相連的子系統協調起來，并實現與外界的信息交換，這就要求設計一個兼容性強的家庭控制器而且滿足信息傳輸需要的家庭網絡系統。智能家居內部網絡的主要功能是把各種電器設備與控制器結合成為一個有機的整體，實現智能家居系統的信息傳輸。電力載波(Power Line Carrier，PLC)通信是利用電力線進行信息傳送的一種通信方式。當前，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角落，許多信息終端、家電設備直接使用220V交流電作為電源。如果利用現有的電力線組網，不需要重新布網，既可以節約財力、物力和人力，同時穩定可靠，易于實現，易于擴展。因此研究電力載波在家庭網絡中的應用具有十分重要的意義。

2 電力載波構成的智能家居網絡

電力載波是電力系統特有的通信方式，電力載波通信是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。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，用電力線進行數據傳輸，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備。智能家居系統中主控器、信息終端、家電設備等都存在內嵌載波模塊接口，直接利用供電線路構成內部網絡。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勢的一種體現，其基本結構如圖1所示。

圖1 電力載波構成的智能家居網絡

3 電力載波模塊設計

電力載波模塊的發送過程由微處理器通過SPI接口向載波芯片發送數據，經過發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 電力載波模塊結構

根據圖2所描述的電力載波模塊結構，采用AT91SAM9260處理器和MI200E載波芯片設計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。根據圖3的電路原理圖，對耦合電路、發送耦合濾波電路、接收耦合濾波電路以及SPI電路進行描述。

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

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

(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，經過接收濾波器送入MI200E的RA+、RA-兩端進行解調。由于信號耦合部分跟發送部分共用，因此，只需添加簡單的LC帶通濾波就可以將信號送入MI200E中，實現信號的接收與提取功能。

(4)SPI電路:MI200E與微處理器AT91SAM9260的數據交換通過SPI(Serial Peripheral Interface)接口實現。在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效，最大速率可達幾Mbps，并且能夠與主流MCU實現簡單良好的聯接。數據或命令在M1200E內部調制解調后經過耦合電路，發送至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據，解析并執行遠程控制命令。

4 模塊軟件處理設計

電力載波模塊的工作過程如下:模塊在初始化完成后進入正常的工作狀態，一般情況下處于接收狀態。如果電力線上的其它模塊將載波信號發送至電力線上，它就開始接收數據幀，對其校驗后確認有效的數據幀提取出源地址和目標地址。如果目標地址與本機的模塊地址一致則做進一步的處理，否則直接放棄該數據幀。對于發送數據幀，首先應把待發送的信息按通信協議組成數據幀，然后將載波芯片置為發送狀態，將數據發往電力線，當數據發送完畢，應把模塊配置為接收狀態。MI200E芯片規定的數據幀格式，如圖4所示。

圖3 電路原理圖

圖4 數據幀格式

第1到2個字節的兩個0xFF為引導碼，第3個字節為固定字符0x1A，第4個字節為數據包信息(高2位為波特率信息、低6位為數據長度)，緊跟后面是用戶數據，最后兩個字節為CRC校驗碼。其中數據長度為用戶數據和CRC校驗碼的字節數，而CRC校驗碼為數據包和用戶數據的校驗值。

對于MI200E的控制，首先對MI200E進行初始化，等待中斷。當有載波信號時，進入中斷，然后對接收或發送的數據處理，其流程如圖5所示。

發送處理流程:配置MI200E為發送模式后，每一次配置發送數據前都要查詢狀態寄存器的最高位是否為1，如果為1才允許發送，每次發送2個字節，發送完2字節后繼續發送后面的數據，直到數據包發送完為止。當發送完所有數據后配置M1200E為接收狀態。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為接收數據，判斷狀態寄存器的Carr/Frame是否為1，接著讀取接收模式寄存器，然后計算數據長度，根據數據長度接收數據和校驗碼，判斷校驗碼是否正確。當數據接收完后由主程序處理數據并執行數據包指定的操作。流程圖如圖7所示。

圖6 發送流程

圖7 接收流程

5 結束語

隨著智能家居系統不斷地融入人們的生活，如何有效地設計內部網絡已經成為當務之急。因為家庭中有大量的電力線，所以在電力線的基礎上使用電力線載波通信能夠比較方便地構建簡潔、廉價的智能家居系統內部網絡。不僅可以省去弱電布線，而且后期比較容易維護和擴展，因此電力載波通信在智能家居系統中的應用有著比較好的前景。通過以MI200E載波通信芯片為基礎，從硬件和軟件兩個方面分別介紹了載波通信模塊的設計與控制。把電力載波通信模塊集成到各電器中，利用電力線作為內部網絡來實現通信，完成對設備的控制和設備之間的信息共享。

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