基于電力載波通信的智能家居控制器設計

胡敦利，程凱鑫

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基于電力載波通信的智能家居控制器設計

胡敦利，程凱鑫

摘要：介紹了控制器的硬件組成和軟件設計原理。介紹了一種基于電力載波通信技術的ARM9嵌入式智能家居控制器的組成和工作原理。采用以ARM9為內核的處理器S3C2440為核心處理器，嵌入μC/OS-II實時操作系統。采用LonWorks總線技術建立LonWorks網絡，實現系統信息交互。通信模塊選用PL3120電力線智能收發器，通信介質為電力線。

關鍵詞：電力載波；嵌入式；LonWorks 總線

程凱鑫（1989-），男，邢臺，北方工業大學，碩士研究生，研究方向：智能家居，北京，100144

0　引言

電力載波通信是電力系統特有的通信方式，其利用電力線為通信介質，通過載波的方式進行信息傳輸[1]。與其它通信方式相比較，電力載波通信具有安裝、維護方便和無需重新布線的優點，為通信系統的實現提供了很大的方便。嵌入式系統是以應用為中心，軟、硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、功耗等綜合性嚴格要求的專用系統設計。

本文采用LonWorks電力載波通信方式，采用ARM9嵌入式微處理器設計智能家居控制器，充分利用兩者的長處，達到控制器安裝無需重新布線，軟件、硬件裁剪、添加簡單方便，低功耗、低成本的要求。

1　硬件設計

本文設計兩種控制器，門禁控制器和家電監測控制器。控制器硬件框架圖如圖1所示：

圖1　門禁控制/電能監測控制器硬件框架圖

電源模塊提供3.3V、5V和12V直流電源，門禁控制/家電監測模塊分別負責門禁管理和監測家電工作狀態，S3C2440核心模塊為主控制器，電力載波通訊模塊負責網絡通訊。

1.1S3C2440核心模塊

本次采用天嵌科技TQ2400核心板設計S3C2440核心模塊。TQ2440核心板采用S3C2440處理器，主頻400MHz，板載64MBSDRAM、256MBNandFlash和2MBNorFlash[2]，同時集成晶振和3.3V轉1.25V電源。在該核心板下，通過添加JTAG、復位、串口、USB和RTC電路組成S3C2440核心模塊，然后再通過GPIO接口實現門禁控制器和家電監測控制設計。

1.2電力載波通訊模塊

采用埃施朗公司的PL3120智能收發器作為通信主芯片，其內部集成3個處理單元和一個電力線收發器。電力線收發器采用BPSK調制，具有雙載波頻率，當主頻率收到干擾后，自動切換到預備頻率上工作[3]，如圖2所示：

圖2　網絡接口電路

在圖2中，電力線經過耦合電路與PL3120相連。其中VA為12V電源，為信號功率放大提供電壓驅動。TXOUT發送網絡信號，RXIN接收網絡信號。圖2中L、N分別連接電力線的火線和零線。

S3C2440與PL3120通過232串口進行通訊。S3C2440 的IO工作電壓為3.3V，PL3120的工作電壓為5V，所以兩者的通訊必須經過電壓轉化。本文采用德州儀器的TXB0104雙向電壓電平轉化器為電壓轉換芯片。TXB0104是一款4路雙向電平轉換器，可以為1.2V、1.5V、1.8V、2.5、3.3V 及5V等各種節點電壓提供通用低電壓雙向轉換功能。VCCA可以接受的電壓范圍為1.2V至3.6V，VCCB可接受電壓范圍為1.65V至5.55V[4]。在使用時，VCCB的電壓不能小于VCCA電壓。該芯片內置上拉電阻，無需外接上拉電阻。串口通訊原理圖如圖3所示：

圖3　串口通訊原理圖

其中TXD1和RXD1分別接在S3C2440的UART1的發送和接收引腳上（GPH4和GPH5）。

1.3門禁控制電路

門禁控制電路包括讀卡器電路、電控鎖控制電路和火災、門磁監測電路。本設計采用的讀卡器是PAR-100A。該讀卡器發射頻率為13.56MHz，工作電壓9V～15V，工作電流60mA，讀卡時間小于0.1秒，輸出格式為18位～58位韋根信號。讀卡器電路原理圖如圖4所示：

圖4　讀卡器電路設計

VDD12V為讀卡器供電，WG0和WG1為讀卡器韋根信號輸出，EINT2和EINT3分別接S3C2440外部中斷2和外部中斷3（GPF2和GPF3）。

電控鎖控制電路，DA0和DA1外接電控鎖，如圖5所示：

圖5　火災報警與門磁監測電路

火災和門磁監測電路，如圖6所示：

圖6　電控鎖電路

DA2和DA外接火災報警器，DA4和DA5外接門磁，EINT0和EINT1分別接S3C2440外部中斷0和外部中斷1 （GPF0和GPF1）。

1.3家電監測電路

家電監測電路采用ADE7753作為電力采集芯片，采集電壓和電流信息，從而計算電路功率，監測家電狀態。ADE7753與S3C2440之間采用SPI通信方式進行通訊。家電監測電路原理圖如圖7所示：

圖7　家電監測電路原理圖

V1P和V1N接電流互感器，V2P和V2N接電壓互感器。ADE7753工作電壓為5V，需要經過TXB0104低壓轉換實現與S3C2440的SPI通訊。

2　軟件設計

軟件設計包括PL3120網絡通訊程序和S3C2440主控程序設計兩個部分。

2.1PL3120網絡通訊設計

采用NeuronC編程語言設計，完成網絡通訊功能，然后通過串口實現與S3C2440的通訊。程序流程如圖8所示：

圖8　網絡通訊程序流程圖

定義網絡變量和IO對象，指定火災報警網絡變量為優先網絡變量，可以優先訪問通道，定義IO8為串口輸入、IO10為串口輸出，波特率4800bit/S。

2.2S3C2440主控軟件設計

筆者根據不同的控制器分別設計門禁主控軟件和家電監測主控軟件。本文以門禁控制器為例，介紹軟件設計。

μ C/OS-II介紹與移植

μ C/OS-II是一個實時內核，可用于8位、16位和32位處理器。其主要特點包括：代碼公開，便于移植；可固化、可裁剪；占先式，總是運行就緒條件下優先級最高的任務；多任務，可管理64個任務；可確定性，函數調用和服務的執行時間可確定，不依賴與任務的多少[5]。

在μ C/OS-II源代碼中，os_cpu.h、os_cpu.c和os_cpu_a.s是與CPU硬件環境相關的代碼。其中，os_cpu.h中定義了與CPU相關的數據類型、變量和宏；os_cpu.c定義了與CPU有關的所用函數，如堆棧初始化函數、任務切換函數和時鐘中斷函數等等；os_cpu_a.s中是與底層硬件有關的匯編語言

代碼。在移植過程中，必須根據S3C2440的硬件環境對os_cpu.h、os_cpu.c和os_cpu_a.s進行修改。然后，通過配置os_cfg.h指定系統功能函數，實現系統內核裁剪[6]。

2.3應用程序設計

程序中包括4個中斷事件，中斷優先級由高到低依次為：火災事件、門磁事件、刷卡事件和串口事件。程序劃分為3個任務，報警任務，刷卡任務和串口數據處理任務。其中報警任務完成火災報警和門磁報警，具有最高任務優先級；刷卡任務負責判斷卡號和開門；串口任務完成串口數據處理的工作，任務優先級最低。門禁主控程序流程圖如圖9所示：

圖9　主控程序流程圖

3　總結

采用該方案設計的智能家居控制器，在實驗室中完成系統測試。門禁控制器完成對刷卡卡號、門狀態、火警信息的實時監控、管理，家電監測控制器完成家電工作電壓、電流的監測和工作狀態監控和管理。系統中所有控制器采集的信息上傳至上位機，并存儲在上位機數據庫中。上位機可完成信息顯示、管理和對下位機控制器的操控。脫離上位機時，各個控制器可以獨立運行，控制器與控制器之間的信息交互不受影響。

參考文獻

[1] 周淑華.LonWorks電力載波技術應用研究與實踐[J].儀器儀表標準化與計量,2011,5:33-35.

[2] 周林兵,楊玲玲,朱滔.基于TQ2440的物流攬件數據采集系統的設計[J].電子設計工程,2013,22:133-134.

[3] 呂豪杰,吳建德.基于LonWorks控制網的路燈監控系統[J].照明工程學報,2010,21(2):49-53.

[4] 德州儀器全新電壓轉換器件[J].電于技術應用,2007,10(2):32.

[5] 宋延昭.嵌入式操作系統介紹及選型原則[J].工業控制計算機,2005,18(7):41-42.

[6] 陳浩,郭利進.嵌入式電動汽車電池管理系統設計[J].電源技術.2013,37(8):1429-1434.

收稿日期：（2015.04.09）

作者簡介：胡敦利（1976-），女，晉中，北方工業大學，副教授，研究方向：現場總線，北京，100144

文章編號：1007-757X(2015)12-0038-03

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A