基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计.pdf

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1、高守玮!讲师关键词!#$%&()电力线载波智能家居系统嵌入式网关智能建筑!#$%&$#()&%*&+!#建筑电气*+,+年第*-卷第,.期基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计!智能家居系统基本任务之一，就是能够通过#$%&#%$网络对各类电器实现操作控制。由于主要家居电器本身就由()*供电，因此利用电力线实现设备监控是一种非常有效的方式。面向服务于智能家居系统的嵌入式网关设计，着重阐述了设计思路、芯片选型，以及电力线通信模块及其协议设计等关键技术，并实现了以太网到电力线协议转换的软硬件设计。基于#$%&#%$网络，对连接于电力线的多类家用电器进行实际测试，结果表明系统运行稳定，监控功

2、能可靠，相关技术具有很好的实用价值。高守玮#王#健#黄全振#朱晓锦!上海大学机电工程及自动化学院智能家居系统，既涉及到家庭中各种高端信息设备的互联互通，也涉及到对家庭中各种照明、安防、电器和基础设施之间的联网以及相互间的自动控制，最终为用户提供一种安全、舒适且方便的智能化和信息化生活空间。其一个基本的功能要求就是能通过电话线或因特网实现对各种家用设备（如空调、热水器）的远程使用和操作控制$%&。“智能家居系统嵌入式网关设计”必须立足于满足需求，选择最佳技术方案，以自主技术为基础，充分考虑国内外家庭网络目前的发展现状和已有的标准（或规范），开发具有自主知识产权的家庭网络及其产品，并构筑安全、可靠

3、且实用的家庭局域网络。系统整体设计家庭网关是智能家居系统的核心部国家高技术研究发展计划（()计划）“家居保健保安机器人及监测网络集成控制系统”。分，各个不同协议子网之间的互联和信息共享都需要通过网关进行，而且网关还负责家庭局域网接入*+,-.+-,。为适用于普通的家庭用户，网关一般设计为嵌入式设备，并采用/01!*1 技术和高性能微处理器实现。家庭嵌入式网关应该能够实现023 现场总线、4567-无线通信和电力线载波等多种通信协议，同时具有*+,-.+-,、819:和 8:;等多类接口，以支持各类数据的传输。用户可通过有线和无线的以太网，以及通过手机短信等多种方式，实现授权行为下的远程遥控浏览

4、和家庭智能设备控制。如冰箱、空调、微波炉、洗衣机和热水器等主要家居电器一般都需要 市电供电，即这类设备本身就接在电力线上，因此不必再用 023 总线或 456?-无线通信的方式进行监控，而是直接采用电力线载波数据针对上述设备进行传输监控，就是一种比较好的方式。鉴于一个完整的智能家居系统嵌入式网关，其功能一般也非常复杂，因此本设计主要致力于实现嵌入式网关的对外*+,-.+-,接口部分，以及嵌入式网关的对内接口部分，即电力线载波通信模块的硬件设计及软件实现，同时预留 023 接口以及串行接口，以便将来升级网关功能，使其支持经过 023总线通信的三表设备，以及经过 456?-通信的低功耗传感器设备。

5、系统整体功能示意图如图$所示。核心/01 选型及设计当前工业界嵌入式控制器的设计开发过程，基于 29;内核的系列产品以其良基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计!#$%&$#()&%*&+!智能建筑!#$%&%()*+*年,月上建筑电气!#图+-系统整体功能示意图好的性价比占据了广大的市场。#$%架构从最早的#$%&（第一代，#$%&），已经发展到当前较为流行的#$%(和#$%)（第四代，#$%*）。其中#$%)系列芯片一般需要外扩大容量的+,#-.或-/$#%，主要用于希望运行,0123 或 40156 等具有良好人机接口界面的移动式设备，如手机、7/#等产品，而#$%(系列芯片一般

6、运行 2589 等较小的操作系统，仅需外扩较小的-$#%或只用片内-$#%，就能提供比较丰富的控制功能，人机界面并不是一个主要考虑的因素。由于本网关主要用来完成:1;=157?:7 协议到电力线通信、0AB/%:-核的高性能 ED H0;$:-5 微处理器，片内集成 I&D JB+KL9M，IF JB-$#%，在不外扩+KL9M 和-$#%的情况下，基本上能够胜任和完成比较复杂的任务，并且支持:-7 及:#7，从而可以很方便地在线升级程序。同时，该芯片片内集成了丰富的外设功能模块，且&N?&NN%传输速率且带/%#功能的以太网模块，完全可以满足本设计中连接:1;=1 接口能满足电力线通信扩展、

7、0AB57?:7 协议功能，本系统采用2589 操作系统，利用轻量级的,P?:7 协议栈完成。网关功能框图如图 D 所示。图)-网关功能框图电力线通信模块设计由于各类家用电器的控制及状态变化频率并不是很高，因此低速电力线载波通信就能满足本系统的需求。7,E&NO 是专为自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而开发设计的单芯片片上系统（-Q9;*FN6G 为陶瓷滤波器，主要用来对 7,E&NO 内部的混频信号进行带通滤波，T*为芯片的:-7 接口，用来下载程序。电力线载波通信模块的功能是实现各个节点间的通信，除了 7,E&NO 载波芯片外，还要包括发送电路和接收电路。（&）载波发送电路载波发送电

8、路的功能是将 7,E&NO 芯片产生的载波信号进行功率放大后，耦合到电力线上。如图*所示，当发送数据的时候，载波信号由7,E&NO 芯片的 7-JUG 引脚输出，根据具体的配置，波形为 N VI W 间变化的方波或正弦波。经过由 W&、WD、WE和 W*组成的互补推挽功率放大电路后，具有了一定的带负载能力；W/&、W/D、W-&和 W-D均起保护作用。载波信号发射功率的大小与 W.电源相关，提高 W.电压就可智能建筑!#$%&$#()&%*&+!#建筑电气!#年第!$卷第#%期图&!&#(载波芯片及外围电路以提高发送功率，进而提高通信距离。电容!和电感 主要任务是对输出信号进行滤波，减少各谐波

9、信号对电网的污染。滤波后的信号经过双向#$%保护后，可由耦合线圈直接耦合到电力线上。图)载波发送电路（&）载波接收电路接收电路的功能是对来自载波耦合电路的信号进行带通滤波处理。如图 所示，电阻#(的目的是隔离发送和接收电路，电感&和电容!&组成并联谐振回路，对耦合进来的信号进行选频。当谐振中心频率为&)*+,设计时，若电容!&-./0 时，则-.1 2+，故选为 2+。二极管$3(、$34将选频后的信号双向嵌位到 5).1$，对后级电路进行保护；然后该信号通过!耦合到67()8 的%9:9;输入管脚，由内部电路进行载波检测并译码为二进制数据。图%载波接收电路电力线通信协议设计由于 67()8

10、的最大波特率为)?，也就是发送或接受 需要&2 的时间，A 需要8 2，而发送一包数据必须有一帧 8 A)BCC 的同步头，以及&A 的引导符)B)DEC，因此即使只发送 A的数据包，也需要 8 2 F（G H）-44 2，所以对于电力线通信，必须设计为简单有效，而不是繁冗复杂的协议。本文设计的协议如下：目标地址?源地址 H 请求数据包号?响应数据包号 H 命令长度 H 命令 H 辅助命令 H 参数 H 和校验。其中，目标地址?源地址为子设备的地址。当网关主动发送命令或对从设备进行应答时，为接收该命令的从设备的地址（目标地址）；当从设备主动上传信息或对网关发送的命令进行应答时，为从设备的地址（

11、源地址）。请求数据包号?响应数据包号：请求数据包号是当网关主动发送命令或从设备主动上传信息时发出的包号，响应数据包号是网关对从设备进行应答或从设备对网关发送的命令进行应答时发出的包号，应与请求数据包号相同。命令长度表示了后续命令包（直至校验和）的长度。命令、辅助命令和参数，针对不同的电器是不同的，其中命令是必须的，辅助命令和参数视命令不同，有时可省略。和校验是从目标地址?源地址到参数的所有数据包内容的二进制和 。接在电力线上进行信息交互的从设备分为两基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计!#$%&$#()&%*&+!智能建筑!#$%&%()*+*年,月上建筑电气!#类：一类有状态信息的

12、变化，需要主动上传信息（如微波炉、空调、冰箱、热水器和洗衣机等）；另一类状态信息的变化只有“开”和“关”，如各类灯具，不需要主动上传信息。由于#$%&(电力线芯片功能比较简单，且波特率较低，载波发送和接收时硬件并不能实现)*+,这样的防冲突功能。假如此时采用查询的方式，得到连接于电力线上的各种电器的工作状态，从网关发出控制命令算起，到目标设备返回状态，根据上面的分析，比较精简的协议也需要-./左右的时间。如果电力线上有五种设备，那么网关有可能 0-/的时间才得知某一设备的状态变化，这样设计不是特别合理。为了能及时得到各类电器的状态信息，本文特别设计了需要主动上传信息的从设备采用分时发送的机制。

13、在每秒钟的下列时间节点，只要网络上空闲，便可主动发送数据：!./，网关控制器发送。&-./，微波炉发送。#%./，冰箱发送。$1-./，热水器发送。%(./，洗衣机发送。&2-./，空调发送（可能有多个）。在上述约定的分时发送时间到以前，没有任何从设备或子网控制器正在进行通信（网关控制器发送命令或从设备主动上传），这时可认为网络空闲。另外，通信还进行如下约定：&）在分时发送时间到且网络空闲时，符合下列规则的设备才可以发送数据：从设备必须是有状态变化可主动上传信息；网关必须是要转发服务器的命令才发送信息。任何设备检测到上述传输过程，即认为网络处于忙状态。0）任何设备在网络处于忙状态时，即使分时发

14、送时间到，也不能发送本设备任何信息。只有在收到网络上从设备发出的“345”（或“367”）命令或网关发出的“745”（或“767”）命令，才认为网络上一次发送已经结束，网络处于空闲状态。%）若网络处于忙状态已计时0/，但网络上未收到任何“345”（或“367”）命令或“745”（或“767”）命令，网络忙状态自动解除，可认为网络处于空闲状态。1）网关每隔&.89 发送一次校时命令，该命令为广播命令，不需任何应答。校时命令收到后&/开始启动分时发送机制。使用上述协议，在传输波特率不高的情况下，能大大提高电力线通信的利用率。实验测试本项目为国家:(%项目支撑的预研计划，由于现有市面所售的各类电器（

15、微波炉、冰箱、热水器、洗衣机和空调）并不支持电力线载波传输，为了让现有的家庭电器支持电力线载波通信，必须在原有电器内部加入电力线通信模块，对其进行改造。对于电器的工作状态，可以采用读取该电器数码$6;的各段电平情况得到，对于面向电器的操作控制行为，可以模拟电子开关接入电器内部的)#，产生模拟按键的方式进行控制。例如，图(为对微波炉进行改造的情况，其中图(=上面电路板（黄色）是微波炉本身自带的控制电路，下面的电路板（绿色）是改造后额外添加的电路，能够从微波炉自带的电路中读取微波炉的工作状态，通过电力线发送到网关，并从电力线接收网关发来的控制命令，通过电子开关模拟按键施加到微波炉自带的电路，可对其

16、进行控制。图-.微波炉面板及内部电路改造（下转第(2 页）地铁区间隧道火灾报警系统与防排烟系统的联动控制!#$%&$#%($#!方案设计!#$%&%()*+*年,月上建筑电气!#器通过控制模块在配电室或变电所的控制模块切除相关区域非消防电源，接通应急照明灯和疏散标志灯电源，并通知电力调度值班员将相关区域的接触轨断电，保证疏散人员不被电倒（#$%&(的电压）。同时)*+通过,+$+切换服务广播为火灾应急广播，切换闭路电视监控系统监视画面至站厅、站台和疏散通道等人员密集的救灾现场。结束语由于区间隧道环境的特殊性，以及隧道火灾工况的多样性和不确定性，在不同的工况下要求设置不同的防排烟系统来实现相应的

17、通风模式，而且每种工况又需有预先设定好的通风模式。因此，当列车在区间隧道发生火灾时，准确无误地起动隧道防排烟系统以及实现最优的通风模式是进行)*+与-*+联动控制问题的关键。参考文献.洪丽娟，刘传聚 隧道火灾研究现状综述/0 地下空间与工程学报，1&，.（.）：.2301 邵荃，等 活塞风影响下地铁火灾烟气运动规律的数 值 模 拟 研 究 /0火 灾 科 学，14，.&（5）：.1505 韩平 +6788 软件在地铁特长区间事故模拟中的应用研究/0 隧道9 地下工程，1:（2）：.;.02 5&）(!（上接第 23 页）系统研制成功后，在实验室对其进行了技术和功能测试，客户端监控软件如图%所示

18、。测试结果表明，网络通信以及电力线载波通信工作正常，系统运行稳定，达到了较好的监控效果。本设计网关利用电力线来监控家居各类主要电器设备，避免了$*?或+2:&等其他有线通信方式所需的额外布线，也解决了无线信号穿透墙壁时严重衰减的缺点，具有很好的实用价值。图-.客户端监控软件结束语基于,A67BA76 网络，利用电力线对多类家用电器实现设备监控。结果表明系统运行稳定，监控功能可靠，相关技术具有很好的实用价值。参考文献.唐伟，周祖德0嵌入式智能家居系统网关设计/0 武汉理工大学学报（信息与管理工程版），13，5.（5）：53.;53501 薛宏全，杨琳0嵌入式智能家居系统连入,A67BA76的研 究 和 实 现/0现 代 电 子 技 术，1%，5（.5）：.%&;.%05 严丽平，等0嵌入式智能家庭网关的研究与设计/0 微计算机信息，1&，1.（.1）：.2;.402 刘述，孙明俊0 家庭网关在家庭网络中的作用与功能/0 电信网技术，1&，4（4）：3;.10&汤效军0 改革开放 5 年电力线载波通信的回顾与展望/0 电力系统通信，13，5（.）：14;510（收稿日期：13 3 1.）!