引言

　　智能家居是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、管理、服務(wù)于一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。

　　目前，智能家居控制技術(shù)主要分為有線方式和無線方式兩種。有線方式又可分為RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線以及電力線等。RS-485和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)存在布線麻煩、可擴(kuò)展性差等問題；無線方式雖然無需綜合布線，但組網(wǎng)較復(fù)雜，且容易受干擾。電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)技術(shù)是指利用配電網(wǎng)中的電力線作為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術(shù)。將電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于智能家居控制系統(tǒng)中，不僅減小了布線麻煩，而且符合家庭網(wǎng)絡(luò)通信的特點(diǎn)。

　　1電力線載波通信及智能家居控制系統(tǒng)

　　1. 1電力線載波通信技術(shù)

　　電力線載波通信是利用專用的調(diào)制解調(diào)芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并加載到工頻50 Hz的電力線上發(fā)送出去，然后再接收、解調(diào)、恢復(fù)為數(shù)據(jù)的過程。

　　常用的傳統(tǒng)低壓電力線載波通信一般采用頻帶傳輸，利用載波調(diào)制將攜帶信息的數(shù)字信號(hào)的頻譜搬移到較高的載波頻率上?；镜恼{(diào)制方式分為幅值鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜及人們對(duì)通信質(zhì)量要求的不斷提高，傳統(tǒng)電力線載波通信方法已不能滿足需求。目前，電力線載波通信的常用技術(shù)有擴(kuò)頻通信技術(shù)、碼分多址復(fù)用技術(shù)和正交頻分復(fù)用技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)又可以分為直序列擴(kuò)頻(DSSS)、跳頻擴(kuò)頻(FH)、跳時(shí)擴(kuò)頻(TH)和線性調(diào)頻(Chirp)等，有些采用抗干擾能力更強(qiáng)的雙頻窄帶技術(shù)來提高通信的可靠性。

　　1. 2智能家居控制系統(tǒng)

　　智能家居控制系統(tǒng)控制著家庭中各種設(shè)備的運(yùn)行，如家用電器設(shè)備、照明系統(tǒng)等的開啟、關(guān)閉及工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)，進(jìn)行安防報(bào)警，以在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息(主要為控制信息以及一些物理量的參數(shù))。由此可見，對(duì)智能家居控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高，但對(duì)信息傳輸?shù)目煽啃砸筝^高。這是因?yàn)樗鼈鬏數(shù)男畔⑹歉鞣N設(shè)備的控制信息，錯(cuò)誤信息不僅可能導(dǎo)致設(shè)備的非正常工作，而且也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞。電力線載波通信技術(shù)具有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可滿足智能家居控制系統(tǒng)的要求。

　　智能家居控制系統(tǒng)整體構(gòu)架，主要包括家庭中心控制器、家庭網(wǎng)關(guān)和控制器。家庭控制網(wǎng)絡(luò)是以低壓電力線為物理通信介質(zhì)組建的智能家居控制網(wǎng)絡(luò)，具有家電控制、照明控制、安防報(bào)警等功能。家庭中心控制器(計(jì)算機(jī))作為整個(gè)智能家居系統(tǒng)的核心，把外部網(wǎng)絡(luò)與家庭控制網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地連接，實(shí)現(xiàn)家庭控制網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的信息互通。家庭網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收處理中心控制器下發(fā)的命令和遙控器的無線信號(hào)，并上傳中心控制器要求的狀態(tài)信息；同時(shí)，還要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制命令的驗(yàn)證?？刂破髯鳛榭刂凭W(wǎng)絡(luò)的命令執(zhí)行部分，完成家庭網(wǎng)關(guān)下發(fā)命令的操作。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括家庭網(wǎng)關(guān)和控制器的設(shè)計(jì)。電力線載波通信模塊是網(wǎng)關(guān)和控制器的重要組成部分。下面主要介紹家庭網(wǎng)關(guān)、控制器以及電力線載波通信模塊的設(shè)計(jì)。

　　2. 1家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

　　家庭網(wǎng)關(guān)主要由主控MCU、電平轉(zhuǎn)換電路、無線收發(fā)模塊以及電力線載波通信模塊組成。家庭網(wǎng)關(guān)的主控MCU采用AT89S52單片機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)發(fā)。家庭網(wǎng)關(guān)與中心控制器之間的通信通過串口通信實(shí)現(xiàn)。利用MAX232芯片，完成RS-232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

　　采用RF1100射頻收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的遙控功能。電力線載波通信模塊與主控MCU通過SPI接口進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)交換。

　　2. 2控制器設(shè)計(jì)

　　控制器主要由主控MCU、輸入模塊、輸出模塊和電力線載波通信模塊組成，。輸入模塊包括傳感器模塊、按鍵模塊等，提供單片機(jī)外部信號(hào)的輸入。單片機(jī)利用各種輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。MCU再將相應(yīng)的指令通過電力線載波通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)到低壓220 V電力線上。

　　2. 3電力線載波通信模塊

　　本文所述的電力線載波通信模塊是采用MI200E芯片設(shè)計(jì)的。MI200E是一款高集成度的電力線載波芯片，采用先進(jìn)的擴(kuò)頻通信原理，同時(shí)具有更少的外圍器件和高達(dá)2 kb/s的通信速率。MI200E專門針對(duì)低壓電力線載波信道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，內(nèi)部高度集成了低噪聲放大器、數(shù)字功率放大器、DSP運(yùn)算模塊、全數(shù)字鎖相環(huán)、擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器等部件，外部采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，并提供有效幀提示信號(hào)，采用SOP24封裝，方便與MCU接口連接。

　　在電力線載波模塊中，MI200E的外圍電路非常簡(jiǎn)單。MI200E芯片和低壓電力線接口涉及6個(gè)引腳，分別為PA、PB、RA+、RA-、VAC+、VAC-。調(diào)制信號(hào)輸出引腳PA、PB，經(jīng)變壓器耦合至低壓電力線。

　　在T1的一次側(cè)與二次側(cè)都需加上一個(gè)TVS保護(hù)管，避免在線路上有高壓脈沖沖擊時(shí)損壞后端器件。MI200E的外圍發(fā)送濾波器由一級(jí)簡(jiǎn)單的LC帶通濾波器組成。對(duì)應(yīng)不同的載波頻率，C29、L4、C30、L12等器件的參數(shù)需要調(diào)整。接收引腳RA+、RA-間連接有LC諧振電路。MI200E可以有57.6 kHz、76.8 kHz和115.2 kHz 3種不同的載波頻率，選用不同參數(shù)的器件構(gòu)成諧振電路，進(jìn)而從載波信號(hào)中獲取信息。由于芯片內(nèi)部集成了功率放大器，因此，外圍電路不再需要相應(yīng)電路，并且接收和發(fā)送共用耦合電路，大大減少了元器件的個(gè)數(shù)，降低了外圍電路的復(fù)雜性。電力線檢測(cè)引腳VAC+、VAC-用于芯片內(nèi)部檢測(cè)電力線過零及負(fù)載特性。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)包括遠(yuǎn)程控制、家庭網(wǎng)關(guān)和控制器設(shè)計(jì)。

　　3. 1遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計(jì)

　　本文利用VisualBasic 6. 0軟件的WinSocket控件實(shí)現(xiàn)家庭控制網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制功能。Win-Socket控件提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。用戶編寫網(wǎng)絡(luò)程序時(shí)，只需通過設(shè)置控件的屬性并調(diào)用其方法，就可連接到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息交換[2]。

　　本文采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接，Winsock控件具體設(shè)置如下：TCP協(xié)議的客戶端必須設(shè)置服務(wù)器的名稱(RemoteHost屬性)、服務(wù)器正監(jiān)聽的端口(RemotePort)，然后調(diào)用Connect方法。服務(wù)器程序必須設(shè)置該Socket的監(jiān)聽端口(LocalPort)，然后調(diào)用Listen方法；當(dāng)客戶要求建立一個(gè)連接時(shí)，服務(wù)器方產(chǎn)生ConnectionRequest事件，如果服務(wù)器想完成連接，則調(diào)用Accept方法認(rèn)可。一旦連接成功，雙方計(jì)算機(jī)都能利用Send Data方法發(fā)送。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)生DataArrival事件，可以在該事件中調(diào)用GetData方法接收數(shù)據(jù)。

　　3. 2家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

　　家庭網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)處理和轉(zhuǎn)發(fā)家庭中心控制器通過串口下發(fā)的數(shù)據(jù)，以及轉(zhuǎn)發(fā)下位控制器上傳的數(shù)據(jù)；同時(shí)，還要處理無線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　3. 3控制器軟件設(shè)計(jì)

　　控制器接收并處理網(wǎng)關(guān)下發(fā)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的命令。

　　3. 4電力線載波通信數(shù)據(jù)接收與發(fā)送

　　(1)數(shù)據(jù)接收。為了保證數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)接收采用中斷方式進(jìn)行。一次接收2 Byte，每次接收都要查詢狀態(tài)寄存器RI位，數(shù)據(jù)接收完后，查詢CRC校驗(yàn)標(biāo)志位CRC_Flag。CRC_Flag為1，接收正確；CRC_Flag為0，接收錯(cuò)誤。

　　(2)數(shù)據(jù)發(fā)送。MI200E每隔10 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，前4 Byte固定使用200 b/s進(jìn)行發(fā)送。在發(fā)送完前4 Byte數(shù)據(jù)后，可改變發(fā)送波特率，一次發(fā)送2 Byte數(shù)據(jù)，每次發(fā)送數(shù)據(jù)前都需要對(duì)狀態(tài)寄存器的最高位(TI)進(jìn)行查詢，只有在TI為1時(shí)，才能將數(shù)據(jù)配置到MI200E。

　　4結(jié)語

　　本文采用MI200E低壓電力線載波通信接口芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)，并從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)具有免布線、穩(wěn)定可靠、便于擴(kuò)展、即插即用等特點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。