电力载波在智能家居内部网络中的应用

覃世欢，吴光敏

(昆明理工大学理学院，昆明650093)

1 引言

智能家居系统是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化功能，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的智能居住环境。它由多种家庭信息终端或家用电器设备组成，能够将各成体系、互不相连的子系统协调起来，并实现与外界的信息交换，这就要求设计一个兼容性强的家庭控制器而且满足信息传输需要的家庭网络系统。智能家居内部网络的主要功能是把各种电器设备与控制器结合成为一个有机的整体，实现智能家居系统的信息传输。电力载波(Power Line Carrier，PLC)通信是利用电力线进行信息传送的一种通信方式。当前，智能家居的范围通常比较小，而且在家庭中电力线布局于每个角落，许多信息终端、家电设备直接使用220V交流电作为电源。如果利用现有的电力线组网，不需要重新布网，既可以节约财力、物力和人力，同时稳定可靠，易于实现，易于扩展。因此研究电力载波在家庭网络中的应用具有十分重要的意义。

2 电力载波构成的智能家居网络

电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。电力载波通信通过电力线载波模块将载有信息的高频信号加载到电力线上，用电力线进行数据传输，然后再通过电力线载波模块，将高频信号从电力线上分离出来传送到终端设备。智能家居系统中主控器、信息终端、家电设备等都存在内嵌载波模块接口，直接利用供电线路构成内部网络。因此电力线不仅提供了电源，也提供了信息通信的手段，这也是电力载波通信优势的一种体现，其基本结构如图1所示。

图1 电力载波构成的智能家居网络

3 电力载波模块设计

电力载波模块的发送过程由微处理器通过SPI接口向载波芯片发送数据，经过发送滤波电路后再利用耦合电路把信号耦合到220V的交流电上。接收过程则是把220V交流电上的载波信号经过耦合电路再由滤波电路将信号送入载波芯片，最后传给微处理器。电力载波模块总体框图如图2所示。

图2 电力载波模块结构

根据图2所描述的电力载波模块结构，采用AT91SAM9260处理器和MI200E载波芯片设计出智能家居的载波通信模块，具体的电路原理图如图3所示。根据图3的电路原理图，对耦合电路、发送耦合滤波电路、接收耦合滤波电路以及SPI电路进行描述。

(1)耦合电路:MI200E在发送和接收信号时都采用差分方式，通过信号耦合变压器，在电力线上接收或发送信号。耦合电路中的变压器不仅把载波信号进行耦合，而且对强电也有隔离作用。

(2)发送耦合滤波电路:发送耦合滤波电路的主要功能是将AT91SAM9260处理器传送的数据进行编码调制，再将编码调制后的信号进行功率放大，然后通过输出引脚PA、PB将信号传送给发送滤波器，最后将信号耦合到220V的高压电路上。发送滤波器一般由普通LC带通滤波器实现。

(3)接收耦合滤波电路:接收耦合电路的功能是将220V线路上的载波信号提取出来，经过接收滤波器送入MI200E的RA+、RA-两端进行解调。由于信号耦合部分跟发送部分共用，因此，只需添加简单的LC带通滤波就可以将信号送入MI200E中，实现信号的接收与提取功能。

(4)SPI电路:MI200E与微处理器AT91SAM9260的数据交换通过SPI(Serial Peripheral Interface)接口实现。在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效，最大速率可达几Mbps，并且能够与主流MCU实现简单良好的联接。数据或命令在M1200E内部调制解调后经过耦合电路，发送至220V低压电力线路，受控单元的电力线载波通信模块从低压电力线上接收数据，解析并执行远程控制命令。

4 模块软件处理设计

电力载波模块的工作过程如下:模块在初始化完成后进入正常的工作状态，一般情况下处于接收状态。如果电力线上的其它模块将载波信号发送至电力线上，它就开始接收数据帧，对其校验后确认有效的数据帧提取出源地址和目标地址。如果目标地址与本机的模块地址一致则做进一步的处理，否则直接放弃该数据帧。对于发送数据帧，首先应把待发送的信息按通信协议组成数据帧，然后将载波芯片置为发送状态，将数据发往电力线，当数据发送完毕，应把模块配置为接收状态。MI200E芯片规定的数据帧格式，如图4所示。

图3 电路原理图

图4 数据帧格式

第1到2个字节的两个0xFF为引导码，第3个字节为固定字符0x1A，第4个字节为数据包信息(高2位为波特率信息、低6位为数据长度)，紧跟后面是用户数据，最后两个字节为CRC校验码。其中数据长度为用户数据和CRC校验码的字节数，而CRC校验码为数据包和用户数据的校验值。

对于MI200E的控制，首先对MI200E进行初始化，等待中断。当有载波信号时，进入中断，然后对接收或发送的数据处理，其流程如图5所示。

发送处理流程:配置MI200E为发送模式后，每一次配置发送数据前都要查询状态寄存器的最高位是否为1，如果为1才允许发送，每次发送2个字节，发送完2字节后继续发送后面的数据，直到数据包发送完为止。当发送完所有数据后配置M1200E为接收状态。流程图如图6所示。

图5 MI200E的控制流程

接收处理流程:配置MI200E为接收数据，判断状态寄存器的Carr/Frame是否为1，接着读取接收模式寄存器，然后计算数据长度，根据数据长度接收数据和校验码，判断校验码是否正确。当数据接收完后由主程序处理数据并执行数据包指定的操作。流程图如图7所示。

图6 发送流程

图7 接收流程

5 结束语

随着智能家居系统不断地融入人们的生活，如何有效地设计内部网络已经成为当务之急。因为家庭中有大量的电力线，所以在电力线的基础上使用电力线载波通信能够比较方便地构建简洁、廉价的智能家居系统内部网络。不仅可以省去弱电布线，而且后期比较容易维护和扩展，因此电力载波通信在智能家居系统中的应用有着比较好的前景。通过以MI200E载波通信芯片为基础，从硬件和软件两个方面分别介绍了载波通信模块的设计与控制。把电力载波通信模块集成到各电器中，利用电力线作为内部网络来实现通信，完成对设备的控制和设备之间的信息共享。

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