引言

　　智能家居是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡通信、信息家電、設備自動化，集系統(tǒng)、結構、管理、服務于一體的高效、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)場總線以及電力線等。RS-485和現(xiàn)場總線技術存在布線麻煩、可擴展性差等問題；無線方式雖然無需綜合布線，但組網(wǎng)較復雜，且容易受干擾。電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)技術是指利用配電網(wǎng)中的電力線作為傳輸媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術。將電力線載波通信技術應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)絡通信的特點。

　　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

　　電力線載波通信是利用專用的調(diào)制解調(diào)芯片對數(shù)據(jù)進行調(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)字信號的頻譜搬移到較高的載波頻率上。基本的調(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)結構的日趨復雜及人們對通信質(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有擴頻通信技術、碼分多址復用技術和正交頻分復用技術。擴頻技術又可以分為直序列擴頻(DSSS)、跳頻擴頻(FH)、跳時擴頻(TH)和線性調(diào)頻(Chirp)等，有些采用抗干擾能力更強的雙頻窄帶技術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備的運行，如家用電器設備、照明系統(tǒng)等的開啟、關閉及工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)，進行安防報警，以在網(wǎng)絡上傳輸信息(主要為控制信息以及一些物理量的參數(shù))。由此可見，對智能家居控制網(wǎng)絡實時性要求不高，但對信息傳輸?shù)目煽啃砸筝^高。這是因為它傳輸?shù)男畔⑹歉鞣N設備的控制信息，錯誤信息不僅可能導致設備的非正常工作，而且也會導致設備的損壞。電力線載波通信技術具有傳輸速率高、抗干擾能力強等特點，可滿足智能家居控制系統(tǒng)的要求。

　　智能家居控制系統(tǒng)整體構架，主要包括家庭中心控制器、家庭網(wǎng)關和控制器。家庭控制網(wǎng)絡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，具有家電控制、照明控制、安防報警等功能。家庭中心控制器(計算機)作為整個智能家居系統(tǒng)的核心，把外部網(wǎng)絡與家庭控制網(wǎng)絡有機地連接，實現(xiàn)家庭控制網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡的信息互通。家庭網(wǎng)關負責接收處理中心控制器下發(fā)的命令和遙控器的無線信號，并上傳中心控制器要求的狀態(tài)信息；同時，還要負責遠程控制命令的驗證。控制器作為控制網(wǎng)絡的命令執(zhí)行部分，完成家庭網(wǎng)關下發(fā)命令的操作。

　　2系統(tǒng)硬件設計

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

　　2. 1家庭網(wǎng)關設計

　　家庭網(wǎng)關主要由主控MCU、電平轉換電路、無線收發(fā)模塊以及電力線載波通信模塊組成。家庭網(wǎng)關的主控MCU采用AT89S52單片機，負責數(shù)據(jù)的處理與轉發(fā)。家庭網(wǎng)關與中心控制器之間的通信通過串口通信實現(xiàn)。利用MAX232芯片，完成RS-232電平與TTL電平的轉換，將數(shù)據(jù)送入單片機進行處理。

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

　　2. 2控制器設計

　　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，提供單片機外部信號的輸入。單片機利用各種輸出模塊實現(xiàn)對外部設備的控制。MCU再將相應的指令通過電力線載波通信模塊轉發(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芯片設計的。MI200E是一款高集成度的電力線載波芯片，采用先進的擴頻通信原理，同時具有更少的外圍器件和高達2 kb/s的通信速率。MI200E專門針對低壓電力線載波信道進行優(yōu)化設計，內(nèi)部高度集成了低噪聲放大器、數(shù)字功率放大器、DSP運算模塊、全數(shù)字鎖相環(huán)、擴頻調(diào)制解調(diào)器等部件，外部采用標準的SPI接口，并提供有效幀提示信號，采用SOP24封裝，方便與MCU接口連接。

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

　　在T1的一次側與二次側都需加上一個TVS保護管，避免在線路上有高壓脈沖沖擊時損壞后端器件。MI200E的外圍發(fā)送濾波器由一級簡單的LC帶通濾波器組成。對應不同的載波頻率，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)的器件構成諧振電路，進而從載波信號中獲取信息。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數(shù)，降低了外圍電路的復雜性。電力線檢測引腳VAC+、VAC-用于芯片內(nèi)部檢測電力線過零及負載特性。

　　3系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)主要軟件設計包括遠程控制、家庭網(wǎng)關和控制器設計。

　　3. 1遠程控制軟件設計

　　本文利用VisualBasic 6. 0軟件的WinSocket控件實現(xiàn)家庭控制網(wǎng)絡的遠程控制功能。Win-Socket控件提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡服務的方便途徑。用戶編寫網(wǎng)絡程序時，只需通過設置控件的屬性并調(diào)用其方法，就可連接到遠程計算機上，并實現(xiàn)網(wǎng)絡信息交換[2]。

　　本文采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)遠程計算機連接，Winsock控件具體設置如下：TCP協(xié)議的客戶端必須設置服務器的名稱(RemoteHost屬性)、服務器正監(jiān)聽的端口(RemotePort)，然后調(diào)用Connect方法。服務器程序必須設置該Socket的監(jiān)聽端口(LocalPort)，然后調(diào)用Listen方法；當客戶要求建立一個連接時，服務器方產(chǎn)生ConnectionRequest事件，如果服務器想完成連接，則調(diào)用Accept方法認可。一旦連接成功，雙方計算機都能利用Send Data方法發(fā)送。當接收到數(shù)據(jù)時，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)關軟件設計

　　家庭網(wǎng)關負責處理和轉發(fā)家庭中心控制器通過串口下發(fā)的數(shù)據(jù)，以及轉發(fā)下位控制器上傳的數(shù)據(jù)；同時，還要處理無線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　3. 3控制器軟件設計

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

　　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)接收的實時性，數(shù)據(jù)接收采用中斷方式進行。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校驗標志位CRC_Flag。CRC_Flag為1，接收正確；CRC_Flag為0，接收錯誤。

　　(2)數(shù)據(jù)發(fā)送。MI200E每隔10 ms進行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，前4 Byte固定使用200 b/s進行發(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)前都需要對狀態(tài)寄存器的最高位(TI)進行查詢，只有在TI為1時，才能將數(shù)據(jù)配置到MI200E。

　　4結語

　　本文采用MI200E低壓電力線載波通信接口芯片，設計并實現(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方面詳細闡述了系統(tǒng)的整體實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)具有免布線、穩(wěn)定可靠、便于擴展、即插即用等特點，有廣泛的應用前景。