基于電力線通信的家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
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目前，中國的智能家居系統(tǒng)以智能安防為主，正逐漸向家電的網(wǎng)絡(luò)化控制延伸。如何更有效地解決安防、家電智能控制、上網(wǎng)等問題，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。電力線通信(Power Line Communication，PLC)，是指利用中、低壓電力線作為通信介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、圖像等綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。利用PLC實(shí)現(xiàn)智能家居的網(wǎng)絡(luò)化控制無需架線，不破壞住宅結(jié)構(gòu)，連接方便、快捷，是智能家居網(wǎng)絡(luò)化控制的理想選擇。本系統(tǒng)采用Intcllon公司的INT5200芯片作為電力載波芯片，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)由與家電設(shè)備相連的電力線傳送，并通過HomePlug協(xié)議實(shí)現(xiàn)交互，采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交頻分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)家電控制、PLC上網(wǎng)和家庭安防。
1 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖l為PLC網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。調(diào)制解調(diào)器為已有的ADSL或有線電視同軸電纜的Modem，PLC主控終端接收到Modem解調(diào)出來的網(wǎng)絡(luò)信號后，將其轉(zhuǎn)換為電力線通信的數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行加密、OFDM調(diào)制、D／A轉(zhuǎn)換、放大等處理，然后通過耦合電路將電力線差分信號耦合到家庭的220V交流電力線的相線和中線上。這樣，在家庭的任何一個電源插座處，均可通過耦合電路獲得電力線差分信號；接著通過PLC局端通信接口對電力線信號進(jìn)行濾波、A／D轉(zhuǎn)換、增益調(diào)整、OFDM解調(diào)等處理；再將數(shù)據(jù)還原為標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)信息送到PC網(wǎng)卡，或者直接根據(jù)接收的信息內(nèi)容，通過PLC局端的微處理器控制其他家電設(shè)備和安防控制設(shè)備。同理，PC、其他家電設(shè)備或安防控制設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，也可以按照相反的過程傳到PLC主控終端，經(jīng)過Modem發(fā)送到Internet網(wǎng)上，供遠(yuǎn)程用戶使用。
2 智能家居系統(tǒng)的PLC主控終端
PLC主控終端主要由主控終端接口和電力線耦合兩部分組成。PLC主控終端的最主要功能是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包和電力包之間的相互轉(zhuǎn)換，OFDM調(diào)制解調(diào)和信號與電力線的耦合。其中，主控終端接口由INT5200、以太網(wǎng)PHY芯片RTL8201BL、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器H1102、接收濾波電路和保護(hù)電路、發(fā)送驅(qū)動電路、E2PROM存儲設(shè)備、LED狀態(tài)指示部分以及電力線耦合電路等構(gòu)成。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
INT5200是一個集成電力線MAC層、PHY層和模擬前端(AFE)的收發(fā)器。INT5200采用正交頻分多路復(fù)用(OFDM)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，根據(jù)信噪比選擇可用的載波頻率，解決噪聲源干擾和多路衰減等問題，在苛刻的電力線通信環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高達(dá)14 Mbps的可靠傳輸。TNT5200的MAC層采用基于優(yōu)先級的CSMA／CA機(jī)制和自動應(yīng)答(ARQ)機(jī)制，并對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新打包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。INT5200集成的模擬前端(AFE)實(shí)現(xiàn)了信號的放大、濾波、A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換等功能。
在PLC主控終端電路中，INT5200工作在主機(jī)模式。INT5200與RTL8201BL之間通過MII接口進(jìn)行通信，收發(fā)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包。MII接口提供獨(dú)立的4位數(shù)據(jù)收發(fā)通道，RTL8201BL為INT5200提供同步時鐘信號。MII接口具有兩線串行數(shù)據(jù)管理接口(MII_MDCLK和MII_MDIO)，通過這個管理接口可以訪問RTL820lBL的寄存器。當(dāng)從電力線接收電力信息時，主控終端首先從220V電力線上通過耦合電路提取電力信息，再經(jīng)過濾波、增益調(diào)整等處理，發(fā)送給INT5200。
INT5200將接收到的電力信息進(jìn)行解調(diào)等處理后，還原為以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包，并通過RTL8201和H1102發(fā)送給ADSL或有線電視同軸電纜的Modem。這樣PLC主控終端就可以通過Modem與外部Internet相連。往電力線上發(fā)送數(shù)據(jù)信息的過程與接收過程相反。在向電力線耦合發(fā)送數(shù)據(jù)之前，考慮到信號傳輸過程中的衰減，要用驅(qū)動電路將發(fā)送信息放大到一定程度，以增強(qiáng)信號強(qiáng)度。E2PROM存儲單元采用AT93C46，用來保存配置信息(包括MAC地址、網(wǎng)絡(luò)密碼、增益調(diào)整參數(shù)等)，并通過SPI接口與INT5200進(jìn)行通信。LED指示燈用來顯示網(wǎng)絡(luò)的LINK、ACT等狀態(tài)。
要想通過220 V的家用電力線來傳輸數(shù)據(jù)，必須采取合適的耦合方式。在設(shè)計電力線的耦合方式時，須考慮到電力線通信環(huán)境的特殊性，同時要考慮到電力線的阻抗較低，一般為幾十Ω。圖3為PLC主控終端的電力線耦合電路，其中TXl+和TXl-用于連接圖2中的驅(qū)動電路，是INT5200的電力數(shù)據(jù)信息發(fā)送端；RXl+和RX1-用于連接圖2中濾波保護(hù)電路，是INT5200的電力數(shù)據(jù)信息接收端。在相線和中線之間并聯(lián)一個壓敏電阻器MOV(07D471)，可以防止電力線上的浪涌，避免系統(tǒng)受到損害。電容C和耦合變壓器的次級構(gòu)成高通濾波器，可以讓電力數(shù)據(jù)信息通過，阻止交流電源的低頻信號通過。當(dāng)設(shè)備從電力線上脫離時，電阻R可以用來釋放電容器中的能量。
3 智能家居系統(tǒng)的PLC局端
PLC局端的作用：家電設(shè)備(如空調(diào)等)或安防控制沒備可以通過PLC局端從電力線接收控制信息和反饋狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)與PLC主控終端的通信；通過PLC主控終端和借助Modem，就可以實(shí)現(xiàn)智能家電的遠(yuǎn)程監(jiān)控和安防控制。計算機(jī)也可以通過這種方式實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。
PLC局端電路包括PLC局端通信接口電路和電力線耦合電路。電力線耦合電路如圖3所示，PLC局端通信接口電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中INT52OO工作在PHY模式，微處理器用S3C2510A。PLC主控終端通過Modem獲取Internet遠(yuǎn)程控制信息后，通過電力線發(fā)送給PLC局端；PLC局端首先對耦合電路接收到的控制信息進(jìn)行濾波，再經(jīng)過INT5200進(jìn)行增益調(diào)整、解調(diào)等處理后，通過MII接口將信息發(fā)送給S3C2510A；S3C2510A分析控制信息碼，并根據(jù)控制信息碼的內(nèi)容，與智能家電的通信接口進(jìn)行通信。
這樣，就可以實(shí)現(xiàn)智能家電的遠(yuǎn)程控制。同理，智能家電電可以將狀態(tài)信息反饋給遠(yuǎn)程用戶。由于家電設(shè)備的控制系統(tǒng)存在差異性，不同家電設(shè)備的PLC局端實(shí)現(xiàn)方法略有不同，主要體現(xiàn)在家電設(shè)備控制單元與S3C2510A的通信接口和控制協(xié)議上。家電設(shè)備控制單元可以通過串口或其他總線與S3C2510A進(jìn)行通信。目前國家還未正式出臺這方面的通信標(biāo)準(zhǔn)，采用什么樣的具體接口和協(xié)議必須與家電設(shè)備生產(chǎn)廠商保持一致。同理，安防控制設(shè)備也可以通過上述方法，將家里的安防狀態(tài)信息反饋給遠(yuǎn)程用戶。遠(yuǎn)程用戶也可以控制安防控制設(shè)備，進(jìn)行相關(guān)安防控制。
PLC局端中的S3C2510A具有2個獨(dú)立的10／100Mbps的以太網(wǎng)控制器，這兩個接口可以完成。IEEE802．3的MAC層處理。它的MII接口除了掛接INT5200(PHY模式)之外，還可以掛接一個以太網(wǎng)的PHY芯片RTL802lBL(如圖4所示)。圖中為了表述得更清楚一些，特將MII接口分開來畫。在MII上掛接兩個物理層芯片時，需要根據(jù)物理層的地址選擇線來判斷控制信息是發(fā)給INT5200(PHY模式)的，還是發(fā)給RTL820lBL的。圖4中，RTL8201BL通過網(wǎng)線與計算機(jī)相連。這樣，計算機(jī)通過PLC局端、電力線、PLC主控終端和Modem就可以實(shí)現(xiàn)PLC上網(wǎng)。
4 EMC測試結(jié)果
本系統(tǒng)的PLC主控終端和PLC局端，按照GB9254-1998和GB/T17618-1998的測試方法，進(jìn)行了電源端子騷擾電壓，電信端口傳導(dǎo)共模騷擾，輻射騷擾，上頻磁場，射頻電磁場，靜電放電，電信端口和電源輸入端口的注入電流、浪涌、脈沖群，電源輸入端口的電壓暫降、電壓中斷測試。測試結(jié)果符合國標(biāo)要求，以下是PLC主控終端的部分實(shí)際測試結(jié)果。
圖5為電源端子騷擾電壓的測試曲線。測試環(huán)境為23℃，69％TH，lOl kPa，按照GB9254-1998的測試方法進(jìn)行測試。由圖5可知，符合國標(biāo)要求。
圖6為電磁場輻射騷擾的測試曲線。測試環(huán)境為23℃，63％TH，101．5 kPa，按照GB9254-1998測試方法進(jìn)行測試。由圖6可知，符合國標(biāo)要求。
結(jié)語
與其他通信方式相比，電力線網(wǎng)絡(luò)通信有著明顯的優(yōu)勢：電網(wǎng)的電力線覆蓋面積最廣；不需要另外鋪設(shè)通信電纜，對已經(jīng)裝修的家庭用戶來說，能提供極大的便利。利用高速的電力線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以為智能家居系統(tǒng)提供良好的網(wǎng)絡(luò)化通信平臺，能推動數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對于改善現(xiàn)代人類的生活質(zhì)量，創(chuàng)造舒適、安全、便利的生活空間有著非常重要的意義，具有非常良好的市場前景。
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