一种家庭异构网络系统终端设计*

胡 东，张 盛，林孝康

(深圳市信息科学与技术重点实验室，清华大学深圳研究生院，深圳518055)

1 引言

目前，世界上应用最广的网络还是互联网，而接入互联网的终端设备主要有电脑、手机或者其他智能终端设备。随着技术的发展，人们对技术的应用提出了更高水平和更广领域的要求。人们不但希望网络可以解决智能设备之间的信息交互问题，也希望它能与非智能型设备进行通信和控制，并通过合适的交互形式反馈给用户。物联网［1］的概念随之提出。

物联网时代有两个显著的特点。一方面，物联网技术的迅速发展，使得原本不方便接入到网络中的设备可以通过外接或者集成小型网络协议而有了联网的可能;另一方面，随着人们生活水平的提高以及对生活质量的期待越来越高，对家用电器的智能化和网络化也提出了更高层次的要求。

电力线通信是一种利用高压、中压、低压电力线作为传输媒介进行数据传输的技术，具有不需要重新布线、网络覆盖范围广等优点。WirelessHART技术是一个健壮的、可用于过程测量、资产管理的无线HART协议，目前在工业控制界使用较多。

该文提出一种兼容电力线通信、WirelessHART自足网络以及以太网通信的异构网络型终端系统，探讨异构网络环境下的家用电器智能化发展方向。

2 硬件模块设计

该系统主要由主控模块、WirelessHART模块、电力线通信模块、以太网模块组成。

2.1 MCU主控模块

微控制器是一个嵌入式设备的核心，它承担着整个系统的计算、资源调度与数据处理功能。考虑到系统功能的复杂性以及网络结构的多元性，该文选取由意法半导体公司生产的STM32F103ZET6芯片作为微控制器芯片。该芯片基于ARM Cortex－M3内核，处理速度最高可达72Mhz，具备单循环周期运算以及硬件除法等特性，并具备多种外设和丰富的通信接口，具有很高的功能性和扩展性。

2.2 WirelessHART 模块

WirelessHART模块主要由射频芯片CC1100E和协议主控芯片MSP430组成。CC1100E是Texas Instruments公司的一个RF模块的芯片，主要应用于1Ghz频段以下射频通信的模块，该芯片把RF收发器与基带调制解调器集成在一起，支持多种调制格式。MSP430是 TI公司的一个低成本的16位MCU。

2.3 PLC 模块

目前，电力线通信芯片有多种选择，国外一些大公司有很多比较成熟的产品，例如 ST公司的ST7538、ST7540等芯片，Intellon公司的SSC P300芯片以及Maxim公司生产的Max2990芯片等。与此同时，国内一些公司也有了自己的解决方案，如四川科强电子有限公司的KQ－130系列电力载波模块，杭州新实科技有限公司的SENS－00电力载波模块。该文选取科强公司的KQ－130F电力载波模块作为系统的调制解调部分，该模块具备以下特点:符合“中华人民共和国电力行业标准 DL/T698－1999”，采用FSK方式调制，载波中心频率127KHz，带宽达 8.77KHz，最高通信速率 4.8kbps，并具备高接收灵敏度的特点。

2.4 以太网模块

该文选取体积较小的ENC28J60芯片作为以太网模块。该芯片是美国微芯科技公司(Microchip Technology)推出的28引脚以太网控制器，具备低引脚数、低成本且高效易用等优点。具有遵循IEEE 802.3标准的以太网控制器，集成MAC层与PHY层逻辑、支持全双工/半双工通信模式、支持SPI接口等特点［2］。

2.5 硬件接口

硬件模块的协同工作要靠芯片间的通信接口来实现。该系统主要用到UART接口以及SPI接口。

UART接口是一种通用型异步收发接口，UART协议广泛应用于各种接口，包括 EIA、RS－232、RS－485等，现在UART电路已被广泛集成于各种微控制器中。UART协议的特点是，在发送端，它通过并/串转换过程，将一条多字节指令或信息顺序地发送字节流来传输信息;在接收端，一个同样的支持UART协议的设备通过串/并转换，将字节流转换成一条完整的指令或还原成信息。

SPI接口的全称是Serial Peripheral Interface，是一种可以工作于全双工模式下的同步数据链路标准，最早由Motorola提出，常用于传感器件、控制设备、存储模块等接口。SPI通信的双方分为主机和从机，其中主机可以指定数据的帧结构;一个系统中可以存在多个从机，每个从机通过片选引脚决定是否处在工作状态。

3 软件模块设计

嵌入式系统的开发环境有多种选择，该文选取IAR Embedd Worckbench for ARM作为开发环境，使用STM32 Firmware Library作为库来实现整个系统的软件。

3.1 主控模块

主控模块主要承担的功能有初始化STM32F103ZET6芯片、配置系统时钟、配置外设等等功能，然后进入处理系统信息的逻辑。

如图1所示，该系统主要通过循环处理以太网以及电力线上的数据请求。没有使用串口中断来提高系统的实时响应速度，主要是考虑到终端系统的扩展性，如果有多个串口设备接入到终端系统中，或多个终端设备之间相互通信，可以通过STM32内建的串口多机通信机制来扩展系统的功能。

图1 主控模块系统流程

3.2 WirelessHART 模块

WirelessHART模块的软件部分，主要由两层模块组成。上层控制模块采用移植版的uCOS嵌入式操作系统，它具有抢占式、实时性、多任务等特点;下层模块采用自主开发的WirelessHART协议栈。它可以通过SPI接口与STM32F103ZET6进行通信。目前，该模块已经在某电力级无线数据终端产品中投入使用，该产品正在量产中。

代码级的接口主要有两个，一个是数据发送函数，定义为:void appSendDataReq(BYTE*txBuffInfo，UINT16 sAddr)，其中第一个参数是被转化为字符串的待发送数据，第二个参数是设备地址;另外一个是一个字符数组缓冲区，定义为:BYTE appRxBuff［APP_RX_BUFF_SIZE］，该缓冲区缓存由 WirelessHART模块接收到的数据，并通过中断机制通知MSP430对数据进一步处理。

3.3 PLC 模块

KQ－130F模块连线简单，仅需要TX、RX两个数据线连接即可完成通信功能。这两个数据线的输入信号，是标准的TTL电平信号，即5V电压视为高电平，0V电压视为低电平。传输协议采取UART协议，需要将STM32F103ZET6的串口配置为数据字长为 9比特、1停止位、9600波特率，然后将STM32F103ZET6的 TX、RX引脚分别接到 KQ－130F的RX、TX引脚。值得注意的是，虽然STM32系列的芯片工作于3.3V电压下，但是它的非模拟输入引脚均具备5V兼容特性，并兼容TTL和CMOS电平信号，因此主控模块和PLC模块之间可以直接连接，不需要使用上拉电阻提高主控模块的输出电平。

一般来讲，电力线上由于并接了多种家用电器，各种电器产生的谐波无法避免地会反馈耦合到电力线上，导致信道噪声增大。KQ－130F模块充分考虑到这一点，它提供两种工作模式，一种是透明工作模式，可以将用户数据与信道噪声原封不动地传输并解调出来，用户需要自己设计帧同步机制过滤掉噪声;另一种是自定义工作模式，它提供特定的帧格式，用户只需要按照帧格式传输数据，就会过滤掉不需要的噪声。对于一个N(N＜=253)字节帧，它的帧格式如表1所示。

表1 PLC模块自定义工作模式下的帧结构

由表1可以看出，帧结构的主要约束条件是:第一个字节需要标明该帧所含用户数据的长度。另外需要注意的是，由于该模块的传输速度较低，传输每个帧之间需要特定的时间间隔，具体的时间间隔计算方法如下:

Δt=(N+4)*0.09(s)

即帧的总字节数，加上4字节的前导码，乘以字节间间隔0.09秒，即是PLC模块发送数据时的帧间间隔时间。以8字节帧长度为例，至少每隔(8+4)*0.09=1.08秒才能发送一帧数据。

3.4 以太网模块

ENC28J60模块采用SPI接口与微控制器模块直接通信，收发数据和传输控制命令。该模块主要包含三个部分。

首先是ENC28J60芯片驱动，主要是初始化、配置ENC28J60，以使其处于正常的工作模式下。这里的配置，主要是由STM32F103ZET6通过SPI接口操作ENC28J60的控制寄存器实现。

其次是移植版的TCP/IP协议栈，考虑到资源的有限性，该文移植了一个最小化的TCP/IP协议栈，仅包含用于地址解析的ARP协议、用于调试目的的ICMP协议、用于支持上层应用的TCP/UDP协议。

最后是一个Web服务器，该Web服务器提供一个简单的Web页面，用于查询系统自身以及一些外围设备的工作状态，便于用户掌控系统。

4 应用举例

基于上述设计，一个兼容PLC和以太网的异构网络家庭智能终端系统已经设计并实现完成。设计了一个简单的基于传感器的智能照明控制系统，以测试系统。

在上述设计基础上，添加了一个PIR人体感应红外传感器模块和继电器驱动模块。其中传感器模块采用CS9803热释电人体感应传感器芯片，通过STM32F103ZET6的GPIO脚连接到主控模块，通过STM32F103ZET6的外部中断模式对传感器的信号作出实时反应;继电器驱动模块采用达灵顿电路驱动，可以利用STM32F103ZET6输出的高电平信号控制220V家用电线。同时，为以太网模块的Web服务器增加一个照明灯指示功能，通过探测继电器引脚的高低来判断当前继电器以及照明电路的状态。

经过实践，该系统可以对4米范围内的人体信号做出快速反应，打开照明系统;并能通过Web服务器查询和控制照明系统的工作状态，具备智能控制的特点。另外，在未来的工作计划中，将会通过兼容基于PLC的智能抄表系统来实现对用电的灵活控制，提高电能利用率。

5 结束语

该文提出了一种基于PLC的家庭智能终端系统，在结合一些外围设备，如无线传感器的情况下，该系统既可以实现智能化控制家用电器的目的，又实现了兼容电力线通信的功能，未来可以与智能电网系统中的基于PLC技术的智能抄表设备相配合，打通了智能家居与智能电网系统之间的障碍。本系统还可以利用WirelessHART网络与工业控制系统通信，扩展了WirelessHART技术的应用范围。

［1］Kevin Ashton.That＇Internet of Things＇Thing［EB/OL］.RFID Journal.22 July 2009.http://www.rfidjournal.com/article/view/4986.

［2］缑延军.基于ENC28J60的嵌入式异构网关与Web应用［J］.同济大学学报(自然科学版)，2008，36(2):263－268.