廈門大學 彭軍 顏自勇 陳文薌
主要介紹PIC技術在智能家居系統中的運用，給出PLC網絡化控制系統的結構．描述智能家居系統控制端設備和局端設備的設計方法．以廈設備的電磁兼容性。該系統實現了家電智能控制、安防控制和上網功能。
目前，中國的智能家居系統以智能安防為主，正逐漸向家電的網絡化控制延伸。如何更有效地解決安防、家電智能控制、上網等問題，逐漸成為研究的熱點。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，實現數據、語音、圖像等綜合業務傳輸的通信技術。利用PLC實現智能家居的網絡化控制無需架線，不破壞住宅結構，連接方便、快捷，是智能家居網絡化控制的理想選擇。本系統采用Intcllon公司的INT5200芯片作為電力載波芯片，網絡數據由與家電設備相連的電力線傳送，并通過HomePlug協議實現交互，采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交頻分復用技術進行調制解調，從而實現家電控制、PLC上網和家庭安防。
1 網絡化控制系統的結構
圖l為PLC網絡化控制系統的結構示意圖。調制解調器為已有的ADSL或有線電視同軸電纜的Modem，PLC主控終端接收到Modem解調出來的網絡信號后，將其轉換為電力線通信的數據包，并進行加密、OFDM調制、D／A轉換、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行濾波、A／D轉換、增益調整、OFDM解調等處理；再將數據還原為標準的網絡信息送到PC網卡，或者直接根據接收的信息內容，通過PLC局端的微處理器控制其他家電設備和安防控制設備。同理，PC、其他家電設備或安防控制設備的數據和狀態信息，也可以按照相反的過程傳到PLC主控終端，經過Modem發送到Internet網上，供遠程用戶使用。
2 智能家居系統的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現以太網數據包和電力包之間的相互轉換，OFDM調制解調和信號與電力線的耦合。其中，主控終端接口由INT5200、以太網PHY芯片RTL8201BL、網絡隔離變壓器H1102、接收濾波電路和保護電路、發送驅動電路、E2PROM存儲設備、LED狀態指示部分以及電力線耦合電路等構成。其電路結構如圖2所示。
INT5200是一個集成電力線MAC層、PHY層和模擬前端(AFE)的收發器。INT5200采用正交頻分多路復用(OFDM)調制解調技術，根據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境下實現高達14 Mbps的可靠傳輸。TNT5200的MAC層采用基于優先級的CSMA／CA機制和自動應答(ARQ)機制，并對以太網數據進行重新打包，實現數據包的可靠傳輸。INT5200集成的模擬前端(AFE)實現了信號的放大、濾波、A／D轉換和D／A轉換等功能。
在PLC主控終端電路中，INT5200工作在主機模式。INT5200與RTL8201BL之間通過MII接口進行通信，收發以太網的數據包。MII接口提供獨立的4位數據收發通道，RTL8201BL為INT5200提供同步時鐘信號。MII接口具有兩線串行數據管理接口(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，再經過濾波、增益調整等處理，發送給INT5200。
INT5200將接收到的電力信息進行解調等處理后，還原為以太網的數據包，并通過RTL8201和H1102發送給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。往電力線上發送數據信息的過程與接收過程相反。在向電力線耦合發送數據之前，考慮到信號傳輸過程中的衰減，要用驅動電路將發送信息放大到一定程度，以增強信號強度。E2PROM存儲單元采用AT93C46，用來保存配置信息(包括MAC地址、網絡密碼、增益調整參數等)，并通過SPI接口與INT5200進行通信。LED指示燈用來顯示網絡的LINK、ACT等狀態。
要想通過220 V的家用電力線來傳輸數據，必須采取合適的耦合方式。在設計電力線的耦合方式時，須考慮到電力線通信環境的特殊性，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中的驅動電路，是INT5200的電力數據信息發送端；RXl+和RX1-用于連接圖2中濾波保護電路，是INT5200的電力數據信息接收端。在相線和中線之間并聯一個壓敏電阻器MOV(07D471)，可以防止電力線上的浪涌，避免系統受到損害。電容C和耦合變壓器的次級構成高通濾波器，可以讓電力數據信息通過，阻止交流電源的低頻信號通過。當設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 智能家居系統的PLC局端
PLC局端的作用：家電設備(如空調等)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信息，實現與PLC主控終端的通信；通過PLC主控終端和借助Modem，就可以實現智能家電的遠程監控和安防控制。計算機也可以通過這種方式實現上網。
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構如圖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遠程控制信息后，通過電力線發送給PLC局端；PLC局端首先對耦合電路接收到的控制信息進行濾波，再經過INT5200進行增益調整、解調等處理后，通過MII接口將信息發送給S3C2510A；S3C2510A分析控制信息碼，并根據控制信息碼的內容，與智能家電的通信接口進行通信。
這樣，就可以實現智能家電的遠程控制。同理，智能家電電可以將狀態信息反饋給遠程用戶。由于家電設備的控制系統存在差異性，不同家電設備的PLC局端實現方法略有不同，主要體現在家電設備控制單元與S3C2510A的通信接口和控制協議上。家電設備控制單元可以通過串口或其他總線與S3C2510A進行通信。目前國家還未正式出臺這方面的通信標準，采用什么樣的具體接口和協議必須與家電設備生產廠商保持一致。同理，安防控制設備也可以通過上述方法，將家里的安防狀態信息反饋給遠程用戶。遠程用戶也可以控制安防控制設備，進行相關安防控制。
PLC局端中的S3C2510A具有2個獨立的10/100Mbps的以太網控制器，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，需要根據物理層的地址選擇線來判斷控制信息是發給INT5200(PHY模式)的，還是發給RTL820lBL的。圖4中，RTL8201BL通過網線與計算機相連。這樣，計算機通過PLC局端、電力線、PLC主控終端和Modem就可以實現PLC上網。
4 EMC測試結果
本系統的PLC主控終端和PLC局端，按照GB9254-1998和GB/T17618-1998的測試方法，進行了電源端子騷擾電壓，電信端口傳導共模騷擾，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。測試結果符合國標要求，以下是PLC主控終端的部分實際測試結果。
圖5為電源端子騷擾電壓的測試曲線。測試環境為23℃，69％TH，lOl kPa，按照GB9254-1998的測試方法進行測試。由圖5可知，符合國標要求。
圖6為電磁場輻射騷擾的測試曲線。測試環境為23℃，63％TH，101．5 kPa，按照GB9254-1998測試方法進行測試。由圖6可知，符合國標要求。
結語
與其他通信方式相比，電力線網絡通信有著明顯的優勢：電網的電力線覆蓋面積最廣；不需要另外鋪設通信電纜，對已經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絡通信技術，可以為智能家居系統提供良好的網絡化通信平臺，能推動數字家庭產業的快速發展，對于改善現代人類的生活質量，創造舒適、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。
