1、本科生毕业论文（设计）题目 基于电力线通信技术的智能家居解决方案 姓名 徐吉栋 学号 2011416470 院系 工学院 专业 自动化 指导教师 王庆兰 职称 讲师 2015 年 5 月 28 日曲阜师范大学教务处制目 录摘要1关键词1Abstract1Key words11 绪论21.1 智能家居系统介绍21.2 电力线通信技术介绍32 基于电力线通信技术的智能家居系统结构42.1 系统结构42.2 14Mbps电力线高速通信设备在智能家居系统中的应用62.2.1 14Mbps PLC调制解调器的基本工作原理62.2.2 14Mbps电力线高速通信系统功能72.2.3 14Mbps电力线高速2、通信技术在智能家居系统中的应用82.3系统功能92.4系统特点103 智能家居系统的家庭网关(ICDT)设计113.1 ICDT介绍113.2 ICDT的硬件设计123.3 ICDT操作系统特点134 数字家庭网络通信模块设计134.1 数字家庭网络通信方式的选择134.2 电力线载波通信模块的基本原理144.3 通信模块的设计原理144.4 主从站模块硬件设计154.4.1 主站/从站通信模块所采用的核心芯片PL2101154.4.2 MCU介绍164.5 主站/从站电路原理图17致谢22参考文献22基于电力线通信技术的智能家居解决方案自动化专业学生 徐吉栋指导教师 王庆兰摘要：随着智能化向3、家电业的渗透、信息化的高度发展，家居智能化的需求大为增加，并最终促成了智能家居的诞生和不断完善，给基于电力线通信的智能家居系统带来了新的活力。采用电力线来充当智能家居系统中数据信号传输媒介,依靠家庭网关网络对其进行管理和控制，能够便捷的实现对家用电器和相关设备的监控和管理。同时通过对数字家庭网络通信模块的设计，使家用电器具有通信功能，实现家用电器与家庭网关和家用电器之间能够通信。最后论文依靠电力线通信技术，提出了一套完整的智能家居解决方案。关键词：电力线载波通信 智能家居系统 电力线高速数据通信家庭网关网络 智能控制数据终端IntelligentHome FurnishingBased On 4、Power Line Communication TechnologySchemeStudent majoring in Automation Xu JidongTutor Wang QinglanAbstract:With the intelligent to the height of the development of the penetration of the home appliance industry, information technology, intelligent home demand greatly increased, and ultimately contr5、ibuted to the birth of the smart home and continue to improve, to smart home system based on power line communication has brought new vitality.The power line to act as a smart home system in data signal transmission medium, rely on the management and control of network home gateway, can achieve conv6、enient for household appliances and equipment for monitoring and management.At the same time, through design of digital home network communication module, the household electrical appliance has the function of communication, implementation of household appliances and home gateway and home appliances7、 can communicate.Finally,depending on the power linecommunication technology,puts forward a complete set of intelligent homesolutions.Key words: Power Line CarrierHigh-speed Power Line CommunicationSystem of Smart Home Home Gateway Intelligent Control Network Data Terminal (ICDT)1 绪论1.1 智能家居系统介绍智能家居8、是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、医疗电子技术依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健、卫生防疫、安防保安等有机地结合在一起（如图1.1），通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。图1.1 智能家居控制系统与普通家居相比，智能家居系统不仅具有传统的居住功能，提供舒适、安全、高品位且宜人的家庭生活空间，而且还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效地安排时间，9、增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。对家电自动化(Home Automation)、信息家电(3C:Computer、Communication、Consumer Electronics)、家庭网络(Home Networking)以及网络家电(Network Appliances)系统的研发极大地推动了智能家居技术的发展。“家庭自动化”是指利用微处理器技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如计算机、照明系统、厨房设备、保安系统、暖气及冷气系统、通信系统、视频及音响系统等。一方面，系统会自动参考来自各个传感器中的信号做出相应的一系列操作；另一方面用户可以通过键盘、触摸屏、10、计算机、手持遥控器等人机接口来控制家中的电子电器产品。“信息家电”是将网络技术和通信技术应用于传统家电（包括白色家电：电冰箱、洗衣机、微波炉等；黑色家电：电视机、录像机、音响、VCD、DVD等）而新创的产品，是为数字化与网络技术更加广泛地深入家庭生活而设计的新型家用电器，也即所有能够通过网络交互信息的家电产品。“家庭网络”则是随着信息家电的出现和Internet应用的普及而发展起来的，是在家中连接电脑、通讯设备及智能家电，集信息、娱乐、通信、计算等多种功能为一体的网络。它最初起源于家庭设备的控制网络，但是由于大量的实时的与多媒体有关的新业务的出现，使其对带宽的要求越来越高。因此，出现了融合控制11、网络和多媒体信息网络于一体的“家庭总线”。“网络家电”是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品。网络家电可以互联组成一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部互联网通信。其主要功能是:远程控制和查询，网上购物，家电网上升级，集中控制与管理，故障信息自诊断、自反馈并可以享受远程维护等。1.2 电力线通信技术介绍电力线通信技术（Power Line Communication）简称PLC，是利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频信号加载于电流，然后用电线传输，接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话，以实12、现信息传递。利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高，可靠性好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传输方面发挥了重要作用。图1.2 电力线高速通信技术在家庭中的应用近几年，随着Internet技术的发展及宽带局域网和数据网的全面建设，登陆上网的人数成倍增长，家庭数据网络将是下一个数字化目标。然而，采用何种方式使用户终端连接到距离用户最近的网络连接设备(被称为“最后一公里”问题)，是近年来网络界的争议焦点。目前有多种技术解决13、这一问题。利用己有网络设施解决“最后一公里”接入问题的技术有DSL技术、Home PNA(Home Phone line Networking Alliance)技术、电力线通信(PLC)技术和Cable Modem技术。除了以上利用己有资源解决接入问题的技术外，还有10M以太网入户技术(几种通信技术的比较见表1)。由于电力线具有普遍性、接入简单、价格低廉以及不用布线等显著特点，被业内人士看好。而且，电力线通信网能同时传输视频、语音、数据和电力，数据传输速率可达到几兆乃至几十兆，这样就有可能带来“四网合一”的新趋势（如图1.2）。PCL技术利用家用电源插座充当通信接口，为用户提供高速接入服务，14、使电力公司能够介入ISP和工CP市场，为其带来新的利润增长点，在传统的电信市场中成为强有力的竞争者。此外，也为电力公司提供了一个拓展业务范围的机会，从而在自由竞争的市场中获得更强的竞争力和更可观的利润。除了解决“最后一公里”问题，电力线通信网还是家庭自动化的生力军，同时也可以完成远程自动抄表(包括气、水、电表等)，消防、保安等任务。家庭联网是应用PCL的另一个重要特点。可以将家庭内的多台计算机之间，计算机同打印机之间，计算机同扫描仪、数字传真机、以及其他数字家电等设备通过电力线相连，组成家庭网络，为用户提供更舒适、方便的生活和工作环境。而且电力网络具有无处不在的优点，采用电力网可以减少在网络建15、设上的巨额投资，而这一点正是制约宽带应用的重要因素。电力线通信网络组网非常简单，只需连接电源插座和必要的网络通信设备，就可实现数字设备之间的相互通信。而且在房间任何有电源插座的地方都可连接互联网，并永久在线。因此，电力线通信技术具有广泛的应用前景。该项技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。表1.1 各种通信技术比较通信方式速率（bps）可否同信传输语音物理介质评价模拟调制解调器56k否双绞线应用广泛、廉价但速度慢ISDN128k是双绞线应用不广泛，较普通电话线稍贵XDSL8M 上行2M 下行是双绞线不干扰普通电话线使用，频宽受距离限制有线电视网10M16、（取决用户数）否同轴电缆必须拥有现成的网络接入，并改造为双向传输；在新区域开办服务和铺设线路造价高；共享带宽，可组网网高速PLC2M-45M是电力线无需新线，分布广泛，接入方便2 基于电力线通信技术的智能家居系统结构2.1 系统结构智能家居系统是一个基于计算机网络的智能住宅管理控制系统。鉴于我国家庭居住环境多以小区为单位，本文开发的智能家居系统主要是由数字家庭网络、住宅接入网络、小区管理中心控制平台构成，如图2.1所示。数字家庭网络是基于网络智能控制数据终端(Intelligent Control Data Terminal on Network，以下简称ICDT)的集中控制系统，通过它完成对17、家庭内部各种传感器、表计及控制器的数据采集和控制，家庭内部网络的数据传输采用低压电力线载波的通信方式。住宅接入网络是小区局域网到住宅家庭网络的延伸，可以稳定运行在多种宽带接入网络上，如以太网LNA、高速PCL或ADSL接入网络等。小区管理中心是基于以太网的信息平台，采用C/S与B/S相结合的系统结构，主要由中心管理服务器、控制工作站及互联网接入网络路由器组成，完成对整个小区住宅的智能化控制和管理。图2.1 智能家居管理控制系统示意图论文所设计的智能家居管理系统建立在小区局域网平台上，利用电力线进行数据传输的总线分布式组网结构。从系统组网示意图2.2中可以清晰地了解到整个智能家居系统的结构及其工18、作流程。图2.2 基于PLC技术的智能家居系统组网示意图在小区的每一住户家中安装一台ICDT，每台分配固定的IP地址。家庭内部，所有输出设备，如报警探测器、求助按钮、电子式脉冲表，它们的信号I/O口均接有相同的电力线载波通信模块(即EPLC一6005载波模块，以下简称为“从站”模块)，通过室内电力线，连接到ICDT的I/0口处内嵌的电力线通信模块(即EPLC-600载波模块，以下简称为“主站”模块)，这样ICDT便可采集到上传信号。采用同样连接方式，家中的输入装置，如警灯警号及各种家用电器等也连接到ICDT，由ICDT的外设键盘进行开关控制，也可以通过电话或互联网进行远程控制，实现布防、撤防、19、查询、家用电器控制等操作。在网络接口的输出端口连接14MbpS电力线调制解调器，同样在小区管理中心的PC上也连接一台14MbPs电力线调制解调器，这样通过小区的电力线网络，即可实现各住户的数字家庭网络与小区管理中心的相互通信了。在小区管理中心，对配备的PC性能要求比较高，令其作为中心服务器，运行管理控制软件，数据存放在数据库服务器上，以实现小区对所有住户家中的ICDT的配置和管理。电力线载波通信模块，即主从站，也是本系统开发的重点，它们承担系统的模拟量采集、脉冲量采集和开关量采集任务。户内的温度控制器、水浸控制器等设备中加装的模块进行模拟量采集,从站将控制器输入的模拟量(电流值4-20mA)转20、换为电平信号，以0、1数字量通过单片机写入数字帧，再经调制解调芯片转换为载波信号，通过电力线发送给主站，主站采用类似原理，将接收的载波信号解调出数字帧，解读还原为数字量发给ICDT。四表(水电气热表)抄送属脉冲量采集，即从站采集脉冲量，转换为载波信号发送给主站，主站还原脉冲量，上传给ICDT。其余设备，如门窗磁、紧急按钮、家电控制器、警铃警灯等，无论输入输出都属开关量采集，工作原理与前两者类似。2.2 14Mbps电力线高速通信设备在智能家居系统中的应用前文对基于电力线载波技术的智能家居系统的设计进行了整体分析，电力线载波技术起到了举足轻重的作用。以传统布线连接方式设计智能家居系统，是无法避免21、室内户外重新布线所带来的工程量繁重和二次投资的。电力线载波技术在该系统中的灵活应用，使智能家居系统以崭新的方式呈现出来。于室内，采用低压电力线低速载波技术，设计电力线载波通信模块，完成智能家居装置与家庭网关之间的通信，关于此通信模块的设计详见第五章。在户外，采用日趋成熟的电力线高速通信技术，在家庭网关输出端口和小区管理中心的HUB上分别连接14Mbps电力线调制解调器，通过已有的小区电力线网络，实现小区局域网的通信和家庭对Internet访问。下面简单介绍一下应用于智能家居系统中的电力线通信技术。2.2.1 14Mbps PLC调制解调器的基本工作原理14Mbps PCL调制解调器主要由用户接22、口单元、调制解调和耦合单元三部分组成。接口单元是指电力线调制解调器同用户设备间的双向数据传输的接口，这些接口包括同计算机之间的RJ-45以太网接口或UBS接口。调制解调部分由数字信号处理单元和相应的外围电路组成。数字信号处理单元负责同用户设备间的双向通信，并将来自用户的数据进行编码、调制后送往外围电路进行数模转换、放大、滤波，或是将来自外围电路经滤波、放大、模数转换后的信号进行解调、解码后送往用户设备。耦合单元是电力线同调制解调器部分的结合设备，它将调制好的高频模拟信号送入电力线进行传输，或从电力线上提取出高频信号以便进行解调。图2.3中给出了EPLC-14M调制解调器内部电路组成框图。EPL23、C-14M调制解调器的主控制元件是通过外围的数据处理电路与电力线相连接的。电力线路上的耦合器隔离了电力线上的高压信号。该系统采用ODFM的载波调制方式。在EPLC-14M系统接收端，将接收到的信号分成几路载波，然后与本地晶振信号混合，产生新的信号；将这几路信号传送到EPLC-14M系统的接收装置，再通过以太网口或者USB接口与计算机或智能电器相连。在EPLC-14M系统发射端，先通过数模转换器将本地客户机发送的数字信号转变成模拟信号，再进行相应的滤波整形放大，然后传送给发射装置，这样客户机的数据信息就可通过电力线输出。EPLC-14M调制解调器采用Intel的1NT5130(144脚LQFP封24、装的集成有MAC/PHY的收发器)作为核心芯片。基于NIT5130，搭建合理外围电路，实现了调制解调器的14MbpS高速数据传输。图2.3 EPLC-14M调制解调器内部电路组成框图2.2.2 14Mbps电力线高速通信系统功能14Mbps电力线可以解决宽带到小区后的最后300米问题，实现自配电变压器至用户家庭的全电力线介质接入网，无需布线、无需穿墙过孔、不破坏装修，节省人力物力。它特别适合宽带到楼边的最后100米应用，是宽带入户的理想解决方案。它的带宽达14Mbps，吞吐量高达6-7Mbps，完全满足家庭内部多台计算机联网的需要，可以实现Internet连接、打印机、文件等资源的共享，也可以25、进行多人互动在线网络游戏。实现这一切无需布线、不破坏装修。而且它可以在家庭宽带入口处加装EPCL-14ME电力线一以太网桥，其以太网口同入户宽带接口相连，电力线接口插入家中任一墙上插座，即可在家庭任一有墙上插座的房间享受有线移动网络带来的便利。用它进一步将通信模块嵌入智能家居装置中，可以享受到智能家居系统给人们生活带来的极大便利。利用其永久在线特性可以搭建集安防、监控于一体的智能化家庭管理。可以建立集社区电子商务服务和远程抄收水电气热表计的数字化社区。所以他为网络运营商提供一种全新的宽带入户思路一租借供电公司的电力线作为通信介质。最后它同样适合宾馆酒店的客房宽带接入和中小企业的内部联网，为智能26、家居系统的推广应用创造有利条件。2.2.3 14Mbps电力线高速通信技术在智能家居系统中的应用图2.4 14MbpS电力线高速通信系统组网示意图图2.4中描述了整个小区内智能家居系统中的的典型组网方式。在每一家庭中，14Mbps电力线高速通信设备既可以直接连接PC，用户通过它访问小区局域网和Internet，或者管理自己家庭内部智能家居系统的有关设置；也可以把该设备连接到家庭网关(即智能家居系统中的ICDT)，以便用户通过ICDT的触摸屏或者外挂操作按钮与小区管理中心互通信。在小区管理中心，中央服务器连接到HUB上，通过HUB与14Mbps电力线高速通信设备连接，这样通过小区电力线网络，方便27、小区住户与小区管理中心互访。图2.5 14M高速PLC系统连接应用示意图14Mbps电力线高速通信系统由局端设备一电力线通信以太网桥EPLC-14ME和用户端设备一电力线调制解调器EPLC一14M组成，见图2.5。该套设备符合Home Plug电力线通信规范1.0标准，在电力线上可以提供高达14MbsP的带宽。EPLC-14ME作为电力线以太网桥，一般位于配电变压器、配电柜或家庭己有宽带入口处，实现传统宽带到电力线通信方式的转变，连接方式见图2.5(a)。以太网口连接宽带入口，电力线接口直接连接到电力线上，即可实现以太网通信与电力线通信之间的转换。EPLC-14M一般位于家庭内部，直接同用户计28、算机或者家庭网关相连，其连接方式见图2.5(b)。若EPLC-14M与计算机相连，通过USB线连入计算机UBS接口。若连接家庭网关(ICDT)，由于所设计的ICDT仅提供以太网接口，所以在EPCL一14M中作了一些改进，将其USB接口电路转换为以太网接口电路，通过以太网线连接ICDT；或者在EPLC-14M的UBS连线的另一端连接USB/以太网接口转换器，这样就可方便地连接ICDT了。2.3系统功能本章第一节给出了智能家居系统的整体设计方案，按此方案设计的智能家居系统可以实现多种功能:防盗报警家中的各类防盗报警探头处加装电力线载波通信模块一“从站模块”(EPLC-6005)，每个从站端口均可独29、立设置任意长度的延迟时间、划分布防组别、设定端口常态(常开/常闭)，以及设定报警方式(是否上报中心或本地报警)等。贵重物品防盗报警依据住户要求可将与贵重物品相关的防盗设备设为较高报警级别，从而引起管理人员足够重视，一旦有盗窃事件发生，瞬间开启报警设备。多重判断防误报功能为防止发生误报现象，小区管理中心的主控软件应该能够综合判断室内多个逻辑相关的探测器的状态(按时间序列)和家庭设防模式。若确定属于误报，则主控软件会自动地在后台进行远程消警，同时在数据库中做出误报一记录。火灾自动探测报警用户在烟感火灾探测器上加装从站模块即可实现。作为家庭安全的重要保护设施，烟感探测器不应随防盗类报警设备一同布防、30、撤防，因此在设置时，应该将连接该类设备的从站模块设为永久布防模式一即无论ICDT是否处于布防状态，在触发条件满足时，ICDT会立即发出报警信号。煤气泄漏自动探测报警在燃气火灾探测器上加装从站模块。同上所述，作为重要的非防盗类安全设备，住户也应该将相应的载波模块设置为永久布防模式。紧急求助用户将紧急求助按钮安放在家中比较醒目易操作的位置，在按钮处也加装从站模块。由于其不仅是作为防盗类的报警装置，多数是在发生紧急情况下使用的，因此也应该设置为永久布防模式；同时，考虑到窃案发生时该设备的报警意味着受侵害者在场，因此在设置该项功能时应设定为只上报小区管理中心而本地不报警，以减少受侵害者被发现的可能性。31、防挟持秘密报警在ICDT报警时，住户可通过输入防胁迫密码撤销本地报警，中心则将进一步收到挟持报警信号，便于管理中心采取一定措施保证住户的人身安全。在防胁迫密码的设计上，ICDT系统没有采用简单的统一密码(因为此类密码易被不法分子察觉，可能导致住户的安全受到进一步的威胁)，而是在原有密码的特定位置上加/减特定的数(该特定位置及特定数可由住户指定)。由于住户密码可自行设定，则在保证密码安全的同时也最大限度的实现了防胁迫秘密报警的独特功育旨。水、电、气、暖气多表远程自动抄收在各种脉冲计量表的信号输出端口加装从站模块，从站模块的主控单元定义灵活，适用范围广，不存在特殊性，可随着房屋内表计的加减以及位置32、变换，随意撤换定义从站模块。另外，对于不同的表计制造厂家所采用的单位脉冲计数技术不一致的情况，只需在主控软件上进行设置即可灵活改变。小区内部电子公告小区管理中心可以通过小区广播方式或特定通知方式，选择单户或多户，向各户家中ICDT发送中、英文电子公告消息，如小区娱乐活动安排、催缴费用通知，以及重要新闻等。ICDT系统的显示界面可滚动存储六条电子公告。INTERNET电子短信息住户登录小区局域网站后，除了可以查询自己家中的相关信息、控制家用电器设备外，还可向其他住户家中的网络智能控制数据终端发送电子短信息。当然，为防止网络骚扰行为，只有本小区内的住户才有权限互发电子信息，而且只允许对单户发送。住33、户家用设备报修对于业已达成维护协议的户内设备，住户可以在其发生故障时通过家中的网络智能控制数据终端向小区管理中心发出报修申请。由于该项功能是ICDT实时访问小区管理中心数据库的方式实现的，所以小区需要具备电子商务。照明控制系统照明系统主要由日光灯、吊灯、壁灯、射灯和落地台灯等组成。除日光灯外，其它灯均可作亮度调节，以满足各种需要。灯光会根据不同的情景，做出相应的调整，例如，欣赏影片时，自动调暗灯光。只需要轻触一个按钮便可产生一种预先设定的照明效果，使用方便。远程家用电器控制网络智能控制数据终端的内置电力线载波通信模块一“主站模块”(EPLC一600)，可以实现家用电器的输出控制功能。住户可以通34、过拨打电话或者从Internet登录小区网站了解家用电器设备的开关状况，并且可以控制家用电器设备的开启关闭。通过ICDT系统的外置键盘，住户还可以直接对任一从站模块进行设定，例如家用电器开启/关闭的时间设定。内置HUB芯片提供多个信息口网络智能控制数据终端系统在保证自身在小区局域网上正常运行的同时，还可以以很低的成本扩展出三个信息口为住户登陆Internet、加设网络设备或进行家庭内部组网提供方便。从而在满足住户对上网点的位置随意性及数量要求的同时，还有效地避免了对小区网络设备端口的进一步占用。2.4系统特点基于TCPI/P协议的数据终端，具有信息采集、存储和通信三大功能。住户可通过电话及In35、ternet查询报警记录、家电开闭状态，可实现远程家电控制及布防功能；发生报警事件时，系统将自动拨打用户预设电话号码告知报警类型、报警时间等相关情况。另外，住户还可通过Internet向家中的发送操作短信息。从站模块可灵活定义，安装、调试方便，可挂接到各种探测器及脉冲计量表等。设备，升级、维护也比较简单；住户还可以通过计算机软件程序操作，任意命名设备名称以便识别，针对不同设备所连接的从站模块进行相应的功能设置，而最大限度地满足各个家庭实际应用的需要。ICDT的I/O口可灵活设置I/O信号的接收脉宽，对于不同的脉冲表可设置单位量程的脉冲数，从而最大限度的保证了对不同型号外接设备的兼容性，有利于降36、低外接设备受干扰产生误报警的可能。家庭内部数据传输采用电力线数字载波通信技术，无需重新布线，方便可靠；家庭与外界通信采用日益成熟的电力线高速通信技术，应用14Mbps电力线调制解调器，实现了优质高效的宽带通信。3 智能家居系统的家庭网关(ICDT)设计3.1 ICDT介绍网络智能控制数据终端(ICDT)充当比较特殊的角色，它联系家庭内部所有的智能家居装置，也是家庭智能网络系统连接外部网络的中枢，显然ICDT是智能家居系统的核心单元，通常称为“家庭网关”，如图3.1所示。小区管理中心服务器小区局域网 热量表模块燃气泄漏探头门磁模块应急按钮电表模块 红外探头模块烟感报警模块窗磁模块水表模块气表模块37、 高速PLCPCICDT照明系统模块家用电器警灯报警模块室内电力线RUI扩展 图3.1 IDTC控制系统结构框图作为家庭网关，ICDT要有很好的适应性，能为智能家居系统提供了友好的人机界面，方便用户操作。ICDT所管理控制的智能装置分为两种:输入/输出设备。图3.1中，室内电力线主干路的上方标注输入设备，ICDT采集读取它们的输入数据和发送信号；下方标注输出设备，ICDT向它们发送控制命令，实现相应操作。ICDT在结构上主要由两个部分组成:通信接口单元和智能控制单元，两个单元之间通过异步通信接口互连，通信接口单元提供了从电力线通信网络到智能控制单元之间的接口。通信接口单元集成了10M以太网卡和38、4口的HBU芯片，其主要作用是处理网络传输协议。从网络输入的数据包被处理掉所有的协议头，并在缓冲区重新装配成完整的应用层数据，经过异步通信端口发送到智能控制单元。从智能控制单元发过来的数据在通信接口单元被拆分、打包并加上协议头发送到网络上。介质访问协议采用以太网IEEE802.3，网络传输协议采用TCP/IP。接口单元共有4个RJ45口，分为两组，其中1个为专用的网络接口，用于连接14MbsP电力线调制解调器(也可以连接其它类型的宽带网络线路)，其余接口用于连接PC或其它网络设备。智能控制单元的主要作用是执行数据、开关量、脉冲量的输入输出，实现安防检测、计量表读数计数、报警及家用电器设备的控制39、功能。用户可以通过智能控制单元外设的键盘布防、撤防，开关电器、控制灯光，以及查询当前水电气表读数及费用。物业管理公司也可以通过访问小区管理中心的主控CP及时通知住户交纳各项费用。另外，ICDT还具有较强扩展性，可以连接分机，这主要是根据别墅型建筑的特点及复式结构住宅的需要所设计的，可在同一个住户内再安装一台ICDT作分机使用，为用户提供了更多方便。3.2 ICDT的硬件设计ICDT的硬件结构原理如图3.2所示。控制器选用Intel高性能16位单片机80C196KC，在最小系统的基础上，分别扩展了32BK数据存储器和程序存储器。25045集看门狗定时器、电压监控和E2PORM(5128bit)于40、一体，用来存储记忆系统的一些基本参数，如节点个数、每个节点的特征参数、节点标识符及一些与节点相关的联系。串行实时时钟采用DSI302，提供秒、分、小时、日、月、年实时信息，且能根据月份和闰年情况自动调整月份和结束日期。并行芯片8255扩展了4X5键盘接口，为用户设置、查询提供输入接口。点阵图形液晶显示器选用MGL(5)12864，字库由字模提取软件生成，存在EPROM中。图3.2 IDCT硬件设计结构原理图ICDT中内嵌主站电力线，它与从站电力线载波模块(下位机节点)之间是通过户内现成电力线连接的。主从站电力线载波模块的设计详见第五章，此处不再赘述。与Ethernet网的连接选用了基于Rabb41、it2000微处理器及Ethernet芯片开发的Rabbit2000TCP/IP开发工具箱，它是含TCP/IP协议栈的嵌入式开发系统，提供了一个带有8位高性能的微处理器工作平台和动态C语言软件开发包。开发板提供1个与SR一232接口、1个与厂商配置的端口(既可用于SR-485，又可用于SR-232)、4个高速电流输出设备、4个数据输入设备、7个定时器、1个实时电池支持时钟和1个10Base-T以太网接口，并提供了TCP/IP协议的全部源代码，实现了TCP/IP和SR-232之间的相互转换，为现场设备的上网提供了软硬件平台。3.3 ICDT操作系统特点ICDT的操作系统是数字家庭网络的控制平台。42、由于它控制和监测的对象十分明确，即家庭中所有的微控制器和电器设备，因此ICDT操作系统必然是一个专用的系统，这样不仅可以提高控制和监测功能完成的效率，同时也可节省硬件资源，利于降低成本。因此，ICDT操作系统是不适宜从现有的Windows CE或Linux等操作系统剪裁增补而成，应该从所需要完成的功能目标出发，有针对性地专门设计。ICDT操作系统应具有以下特点:(l)它是内嵌式操作系统。ICDT任务比较单一，主要功能就是控制与通信，其载体通常为单片机，存储容量有限，而实际上该控制平台的内核也是比较小的，一般10K-30K左右，所以考虑采用内嵌模式是最合适的了。(2)它是分布式操作系统。论文中，43、智能家居系统的数字家庭网络的结构是分布式的，与之相适应的软件平台也必然采用分布式结构。分布式的系统要求每一个从站系统要有独立性，能仅依靠自己的硬件软件资源即可独立地完成一定的任务；同时每一从站还应该与其它从站系统有密切联系，以便协同完成一项或多项任务。所以这就对ICDT操作系统提出了更高要求:很强的互动和协同工作能力，而且还要设置简单、便捷。(3)它是以通信功能为主的网络操作系统。由于数字家庭网络的总线分布式结构，各从站之间的信息交换比较频繁，而家庭中的控制又相对简单，所以系统对通信的速度和质量要求十分高。但数字家庭网络的最终任务毕竟是实现对家庭中的所有家电和微控制装置的的控制和监，通信只是实44、现任务过程中的重要步骤，也不能太过忽视控制方面的研究工作。这恰恰体现ICDT操作系统的专用性。(4)它是面向家用电器/微控制设备连接的专用操作系统。ICDT操作系统对调用用户的程序和对设备的驱动控制应该有充分的灵活性。数字家庭网络上的设备是在不断变化更新的，所以ICDT操作系统必须能适应这种需求。4 数字家庭网络通信模块设计4.1 数字家庭网络通信方式的选择论文中提及的智能家居系统，是通过ICDT(网络智能控制数据终端)直接控制和管理智能家居系统中的监测和控制模块，实现表计读取、安防监控、家用电器调控以及照明开/关等功能。网络智能控制数据终端ICDT与智能家居系统中的各个模块之间的通信过程是半45、双工通信，主要任务是:ICDT采集/接收各种智能家居模块的数据量或状态信息，并向智能模块发送相应的管理/控制命令:各智能模块上传检测数据或状态信息，接收来自ICDT的管理控制命令，并进行相应动作。目前可以采取多种通信方式实现两者之间的通讯，具有代表意义的有:RS-232/RS-485双绞线通信；电力线载波通信；无线通信(无线局域网，蓝牙等)，红外线传输，光纤，以太网等。相对其它通信方式，电力线无处不在的特点最适合用作智能家居自动化系统的通信介质，利用电力线载波数据通信技术实现家庭控制和管理是具有一定优势的。电力线载波通信除具备有线移动的特点以外，还具备造价成本低、通信性能相对稳定、保密性强、不46、易受空间电磁干扰、不受建筑物阻挡影响等优点，因此采用电力线载波通信方式实现ICDT与检测和控制装置之间的数据传输是较为合理的选择。4.2 电力线载波通信模块的基本原理电力线载波通信系统是由载波设备、电力线和电力线祸合设备组成。发送端把采集到的原始信号转为数字信号后进行相应处理，转变成适合电力线传输的载波信号，信号经电力线传输到接收端的解调器，再经过反向处理，在接收端得到还原后的原始信号。电力线数字载波通信技术的原理详见框图4.1。图4.1 电力线数字通信系统的基本组成4.3 通信模块的设计原理将电力线数字载波通信技术的基本理论运用到实际中，在论文所设计的智能家居系统中，实现了这个原理的最简单应47、用。图4.2中主站/从站即为本文所设计的电力线数字载波通信模块。图4.2 主从站通信系统框图由于设置在网络智能控制数据终端的信号I/O口处的通信模块，与各表计脉冲信号输出端口、家用电器的控制信号I/O口、以及各种安防报警信号输出端口等处的通信模块的复杂程度不一样，实现的功能也不尽相同。所以，设计过程中考虑设计两种类型的电力线通信模块:主站通信模块和从站通信模块。主站模块(图4.3中(a)所示)设置在网络智能控制数据终端处(内嵌于ICDT中)，从站模块(图4.3中(b)所示)设置在各种智能模块的信号出口端。主站与从站之间实现透明传输。从站采集到需要上传的脉冲信号，处理，调制，转换成适合电力线传输48、的模拟信号，经电力线发送至主站；主站接收从站的上传信号，解调，还原为初始的脉冲信号，再通过I/O口发送至ICDT，进行相应数据处理。同样地，当ICDT要向各受控装置下传命令信号时，先是主站进行信号处理，调制，经电力线传送，从站解调接收的信号，还原，再通过I/0口发送给相应的智能装置，实现ICDT的控制功能。图4.3 电力线载波通信模块组成结构图尽管主从站模块在系统中的任务和作用有所差异，但设计的基本思路还是一致的。以下重点介绍其通信模块的硬件设计，并给出程序设计的流程图及设计思路。4.4 主从站模块硬件设计论文设计的通信模块主要由两部分组成:数据的发送/接收单元和主控制器。数据的发送/接收单元49、提供通信底层的数据链路层和物理层的网络服务。主控制器将命令和数据翻译过来提供给用户使用，并提供上层(包含应用层和网络层)的通信协议。通信过程中，输出信号的放大与滤波、输入信号滤波以及节点与电力线介质之间的祸合等功能则是由外部电路来完成的。4.4.1 主站/从站通信模块所采用的核心芯片PL2101PL2101是专为电力线通讯网络设计的半双工异步调制解调器，是PL200O的升级产品。它仅由单一的+5V电源供电，以及一个外部的接口电路与电力线祸合。PZL101除具备原有系统基本的通讯控制功能:二相相移键控，120kHz载频，带宽15kHz，数据速率500bps；接收灵敏度为50(500bps)；1550、位伪码长度，可编程同步捕获门限；可编程时钟(掉电后电池维护)I/O口带150V ESD保护等。它还内置了四种常用的功能电路:32 Bytes SRAM，电压监测，看门狗定时器及复位电路，它们通过标准的IZC接口与外部的微处理器相联。PL2101芯片内部建有高灵敏度放大器及四象限模拟乘法器，进一步提高了集成度，无需外部模拟混频器。芯片PZL101是特别针对中国电力网恶劣的信道环境所研制开发的低压电力线载波通信芯片。信噪比数据传输特性比芯片PL2000有了大幅度的提高，同时将数据传输速率提升了一倍。由于采用了直接序列扩频(所谓直接序列扩频一Direct Sequence Spread Spectr51、um，缩写DSSS，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱；而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息)、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，以及大规模的数字/模拟混合0.5um CMOS工艺制作，所以具有较强的抗干扰、抗衰落性能。芯片PL2101的发送接收工作时序:当芯片处于发射态时，由于PL2101内部由HEAD的上升沿对RXD_TXD的数据进行锁存，故外部MCU应当在HEAD的下降沿后将数据置于RXD_TXD管脚。当芯片处于接收态时，由于PL2101内部由HEAD的上升沿对内部解调的数据进行锁存输出，故外部MCU应当在HEAD的下降沿后52、读取PL2101接收到的数据。芯片PL2101的时序接口引出两个管脚:SDA串行地址/数据输入/输出和SCL串行时钟端。SDA是一个双向传输端，用于传输地址和数据进入PL2101，以及从PL2101发送数据至外部MCU或其它控制器件。对于一般的数据传输，仅在SCL为低期间SDA才可以变化。在SCL为高期间变化，留给指示START(开始)和STOP(停止)条件。SCL为时钟输入端，用于同步进入PL2101和从PL2101发出的数据。4.4.2 MCU介绍芯片PL2101支持双向两线总线和数据传输协议。当器件处于传送数据到总线状态时，我们称之为发送器，当器件处于接收数据状态时则称为接收器。总线必须53、由一个主器件控制，选择MCU作为该通信模块的主器件，它产生串行时钟(SCL)，控制总线存取，并且产生开始位(START)和停止位(END)，芯片PL2101作为从器件工作。主器件和从器件都能工作于发送器或者接收器的状态，但何种方式有效由主器件MCU决定。主站通信模块中的MCU采用AT89C52单片机芯片，从站通信模块中采用AT89C2051单片机芯片。AT89C52是一种采用MCOS工艺制造的高性能低功耗的8位微控制器，拥有8Kbytes的电擦除可编程只读XI存(Flash programmable and erasable read only memory)，该闪存允许在系统内再编程，或通过54、传统的非易失性存储器编程。它与工业标准的80C51/8OC52指令和引脚相兼容。由于在单片电路上集成了通用的8位CUP和闪速存储器，AT89C52成为功能强大的微控制器，为许多嵌入式控制系统提供了一种高效灵活的解决方案。AT89c52提供256bytesRAM，32条I/O线，3个16位定时/计数器，六个向量二级中断结构，1个全双向的串行口，还具备片内振荡器和时钟电路。a)I/O通道分配:P0:地址/数据复用总线。P1:Pl.0一P1.1与E2PR0M24C02连接，PI.2Pl.4与多路电子开关CD4052连接。Pl.5Pl.7与串行A/D转换器MAX187连接。P2:地址总线。b)E2PR55、OM之所以选用E2PROM，是因为E2PROM在工作电压下就可以进行数据的读和写，这样，就可以在编制应用程序时，在特定条件下从E2PROM中读取重要参数或在E2PROM保存重要参数。AT80C2051是一种带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(FLASH ROM)的低电压、高性能CMOS 8位微控制器，该器件采用ATMEL高密度、非易失性存储器技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和引脚相兼容，由于将通用的8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，AT89C2051是一种高效微控制器，为许多嵌入式控制系统提供了灵活性高且价廉的有效解决方案。AT89CZO51具有以下一些标准特性:2K字节的闪存56、PROM、128字节RAM，15个I/O线，2个16位定时器/计数器，6个两级中断源结构，一个全双工串行口，一个精确的模拟比较器，片内振荡器和时钟电路，具有2.7V至6V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁。此外，AT89C2051设计稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的省电模式:在闲置模式下，CUP停止工作，但RMA、定时器/计数器、串口和中断系统仍在工作；在掉电模式下，保存RAM中的内容并且冻结振荡器，禁止所有其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。主站/从站单片机系统的工作流程是这样的:单片机利用自身具有的串行通信57、口，直接接收芯片PLZ101传送下来的串行数据，然后将所接收的各组数据通过并行口输出，经过数字光隔，送到数据锁存器74LS373，最后将锁存的数据送到D/A转换器进行数模转换并通过运放将模拟信号输出，同时显示在ICDT界面上。反向的信号通过隔离，经过A/D转换器和数据锁存器，变成单片机所需的并行数字信号送到单片机的数据存储单元中，再由串行口返送到芯片PL2101。本系统MCU的单片机程序设计详见图5.4和图5.5，设计思路一目了然，分别提供了主站和从站模块中MCU的工作程序流程图。单片机采用MCS51系列的汇编语言编程，程序流程为总线查询方式。它有一个标准的串行口，有4种工作方式，其中方式1是58、标准的10位异步通信方式，10位数据和PC机的标准串口相对应，由串行口控制寄存器SCON设置状态，其字节地址为98H。如下式所示。本系统中单片机串口控制器SCON设置为50H，SMO、SMI为0、l，即为串行工作方式1，REN为1，即允许串口接收。单片机并行口0P和PZ分别作为八位数据的输入和输出口。3P口的输出作为数据锁存器和D/A、A/D的禁止和允允许。4.5 主站/从站电路原理图依据文中4.4节的关于主芯片PL2101的功能特点介绍和工作原理，以及MCU的工作流程思路，设计了主站/从站载波通信模块电路。图4.5为主从站载波通信模块的电路原理框图。图4.4 主站程序流程图图4.5 从站程序59、流程图XTli、XTlo:分别为PL2101片内反相放大器的输入端和输出端，外接晶体可以组成晶体振荡器。PL2101主振荡器所需时钟频率为9.6MHz。为使振荡器工作更加可靠，连接于振荡器两端的电容一般用30pF，也可在30一68pF之间取值。若使用外部时钟，可直接从XTli输入9.6MHz的时钟信号。RESET:上电复位及看门狗计数器溢出复位输出端(高电平有效，持续时间218ms)。当电源电压低于4.3V时，RESET脚持续输出高电平。WDI:看门狗计数器清零输入端。当WDI持续436ms以上无高低电平变化，将导致看门狗计数器溢出复位，使PL2101的RST脚输出复位高电平。图4.6 主从站60、载波通信模块的电路原理框图图4.6虚线框内包括载波接收解扩、载波扩频发射、单片机接口三部分功能:载波接收解扩由PL2101芯片完成；载波扩频发射由单片机控制，通过PL2101完成扩频编码处理，通过后续推动电路完成扩频载波信号的功率输出；PL2101载波通信为同步、半双工方式，由帧头进行同步；常态为载波接收模式；单片机接口提供单片机的复位信号、看门狗信号，以及载波收发控制信号。图5.6虚线框外包括数据信号祸合、模块电源部分和单片机及其外围接口电路。该电路的通信过程为:PL2101接收下发指令时，是由微处理器单片机将下发指令的具体内容，以透明、同步方式送PL2101，由载波发送到线路上。PL21061、1常态为载波接收模式，检测载波线路的同步帧头(根据通讯规约，同步帧头为0x09、0xAF)；检测到同步帧头后，按通信规约计算应接收数据长度；按接收长度接收通信数据；到达接收长度后，按通信规约添加有关数据头、数据长度后通过串口上发MCU；由于PL2101常态为接收模式，只有正确收到指令后，才启动载波发射态，将数据发送到载波线路上，发射结束后进入载波接收模式；PL2101处于接收状态时，载波线路有扩频信号时，HEAD脚产生同步信号；PL2101处于发射状态时，HEAD脚由芯片内部分频产生同步信号(500bsP)。具体电路详见图4.7主站模块电路图和图4.8从站模块电路图。图4.7 主站模块(EPL62、C-600)电路图图4.8 从站模块(EPLC-6005)电路图本章从数字家庭网络通信方式的选择着手，根据电力线数字载波通信技术的基本原理，设计了一种适应家庭自动化通信要求的电力线载波通信模块。文中详细介绍了通信模块(EPLC-600/5)的硬件电路设计及微处理器软件设计，给出了主站/从站通信模块的电路设计图。5 总结智能家居自动化和电力线载波通信是两个蓬勃发展的崭新学科。随着电力线载波通信技术的发展,特别是电力线高速通信技术的发展和成熟,将电力线载波通信技术引入智能家居领域将会对智能家居的发展和普及起到积极的推动作用。本文立足于电力线通信技术,研究开发了基于电力线的智能家居自动化系统,并结合63、电力线高速数据通信系统,构建了基于低压配电网的集NITERNET上网、智能家居控制于一体的智能化数字小区,为电力线通信技术和智能家居的应用开辟了新的领域。致谢本论文是在王庆兰老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。王庆兰老师的悉心指导使我受益终生。在此此向王庆兰老师表示崇高的敬意和真诚的谢意！论文期间,还得到其他老师和同学的指教和关心,我的每一点进步都与他们的鼓励与支持分不开的,他们为我提供了良好的学习环境,在此表示诚挚的谢意！此外,我还要感谢我的父母兄长给予我精神上的大力支持,以及生活上无微不至的照料,让我专心从事科研学习工作,使我取得了很大进步！参考文献l 杨士元.数字家庭网络技术及应用M.北京64、:电子工业出版社,2002,82 叶朝辉，杨士元.智能家庭网络研究综述J.计算机应用研究,2001,18(9):1-63 曹志刚，钱亚生.现代通信原理M.北京:清华大学出版社.19994 张士文.低压电力线通信技术综述J.华北电力技术,2001/1:27-295 孙新茹,吴云峰,齐淑清.电力线通信(PLC)接入技术及各种接入方式的比较J.电力系统通信,2002(6):14-176 赵丙镇,李祥珍.PLC铺路“四网合一”J.网络世界,2008/3:32-357 牟英峰,徐殿国,张东来.基于嵌入式TCP/IP协议栈的信息家电连接Internet单芯片解决方案M.电子技术应用8 彭少熙,孙政顺,杜继宏.家庭网络中的嵌入式Internet方案M.通讯与电视9 张磊.基于行波理论的输电线路盗割在线检测研究D.开封：河南大学.2009:45-47 10 肖勇，张捷，阎啸等.低压电力线载波通信信道特性研究J.电力系统保护与控制,2010:22-2411 郑娜，李景春.脉冲无线电噪声分类及其数学描述J. 中国无线电. 2009(09)：49-52 21