智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制中電力載波模塊的設(shè)計(jì)

摘要：在家庭自動(dòng)化研究中，利用電力載波進(jìn)行信息傳送正成為研究的熱點(diǎn)?；赟T7536開發(fā)了一種面向短消息、短命令的網(wǎng)絡(luò)家電控制的電力載波通訊試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。其結(jié)果表明，電力載波模塊能夠較好地構(gòu)成建家庭通訊網(wǎng)絡(luò)，是一種性能價(jià)格比較高的控制方式。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)家電 電子載波 ST7536 通訊協(xié)議 信號(hào)衰減與阻抗匹配

電力載波（PowerLine CarrierWave,簡(jiǎn)稱PLCW）通信是利用電力線進(jìn)行信息傳送的一種通信方式[1]。電力載波通信在遠(yuǎn)程三表（水表、電表、煤氣表）信息的自動(dòng)采集和傳輸中得到廣泛的應(yīng)用，在智能小區(qū)建設(shè)中備受青睞。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能化網(wǎng)絡(luò)家電逐漸成為研究熱點(diǎn)[4]，而將電力載波應(yīng)用于智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制則剛剛開始。國(guó)內(nèi)目前尚未有應(yīng)用于智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制的電力載波通訊產(chǎn)品的研究報(bào)道；而國(guó)外已經(jīng)有穩(wěn)定的構(gòu)建智能化網(wǎng)絡(luò)家電的電力載波通訊產(chǎn)品[3]，但其價(jià)格昂貴，中國(guó)普通家庭難以接收，而且電壓是110V，也不適合中國(guó)國(guó)情。因此，有必要對(duì)電力載波技術(shù)進(jìn)行深入探索，研究開發(fā)出適合中國(guó)國(guó)情、成本低廉而可靠的電力載波通訊產(chǎn)品。

將電力載波應(yīng)用于智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制中有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以利用現(xiàn)有的電力線組網(wǎng)；（2）因?yàn)椴槐刂匦虏季W(wǎng)，所以可以節(jié)約財(cái)力、物力和人力；（3）穩(wěn)定可靠，易于實(shí)現(xiàn)；（4）目前市場(chǎng)上已經(jīng)有多種電力載波芯片，可以擇優(yōu)選用。

但是將電力載波應(yīng)用到智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制中還存在許多技術(shù)難點(diǎn)：（1）如何設(shè)計(jì)基于電力載波控制的智能化家電網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)；（2）如何制定電力載波通訊協(xié)議，使得它們之間能夠相互可靠地傳遞信息；（3）如何克服電力載波固有的信號(hào)衰減、阻抗失配以及等幅振蕩干擾等問題[2]；（4）如何設(shè)計(jì)電力線接口（PowerLine Interface，簡(jiǎn)稱PLI）。本文將從上述問題出發(fā)，闡述智能化網(wǎng)絡(luò)家電控制中電力載波模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。

1 電力載波通訊網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

電力載波通訊是利用電力線進(jìn)行信息傳送的通訊方式，因此利用電力線可以組建家庭環(huán)境的通訊網(wǎng)絡(luò)。基于電力載波組建的電力線通訊網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。電力載波通訊網(wǎng)絡(luò)一般采用主從控制方式，圖中上層有一個(gè)主控CPU，下層有若干個(gè)從CPU。主控CPU向各個(gè)從CPU發(fā)出指令協(xié)調(diào)工作，同一時(shí)刻只能有一個(gè)CPU使用電力線資源。主控CPU與網(wǎng)關(guān)或者家庭服務(wù)器相聯(lián)，從CPU控制智能電路工作。

2 電力載波模塊設(shè)計(jì)

在目前的電力載波通訊產(chǎn)品中，主要使用兩種方式：窄帶通訊方式和擴(kuò)頻通訊方式。窄帶通訊技術(shù)價(jià)格低廉并且較為容易實(shí)現(xiàn)；擴(kuò)頻通訊技術(shù)在抗干擾性能上擾于窄帶通訊，但技術(shù)復(fù)雜。使用ST7536作為電力載波芯片，采用窄帶通訊方式，是目前廣泛應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的一項(xiàng)成熟技術(shù)。考慮到家庭網(wǎng)絡(luò)通訊距離短、消息命令少等特點(diǎn)，因此本文選擇ST7536芯片設(shè)計(jì)電力載波通訊模塊。

2.1 模塊結(jié)構(gòu)

電力載波模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。它以ST7536為核心，選用89C52/C51系列單片機(jī)為控制器，具有RS232接口和電力線接口。

電力載波模塊的工作過程如下：

模塊經(jīng)常處于接收狀態(tài)（Rx/Tx-=1），時(shí)刻監(jiān)聽電力線。當(dāng)電力線上有信號(hào)時(shí)，開始接收信息幀，并同時(shí)校驗(yàn)?zāi)繕?biāo)地址。如果目標(biāo)地址不是本機(jī)地址，則拋棄該幀。如果目標(biāo)地址與本機(jī)地址，則拋棄該幀。如果目標(biāo)地址與本機(jī)地址相同，則分解該信息幀，檢出有用信息，然后通過RS232接口發(fā)往上位機(jī)或者應(yīng)用家電。

如果上位機(jī)發(fā)出控制指令或者家電產(chǎn)生回饋信息，則通過RS232接口產(chǎn)生中斷進(jìn)入模塊。由模塊將控制指令或回饋信息組合成帖，然后模塊轉(zhuǎn)入發(fā)送模塊（Rx/Tx-=0），通過PLI將信息幀發(fā)送到電力線上。信息幀發(fā)送完畢，模塊轉(zhuǎn)入接收模式（Rx/Tx-=1）。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

信號(hào)衰減、阻抗失配、脈沖噪聲以及等幅振蕩波干擾等問題是影響電力線傳輸信號(hào)的普遍問題。除此以外，電力線接口的變壓器設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

在電力線上存在各種各樣的干擾，主要包括電源線中的高頻干擾、感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變?cè)肼?、晶閘管通斷時(shí)產(chǎn)生的干擾、電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降干擾和拉閘過程形成的高頻干擾。對(duì)于以上各種問題，解決的方法主是屏蔽、濾波、接地，在線路板上布線時(shí)應(yīng)注意減小分布電感和分布電容。衰減和阻抗匹配實(shí)際上是一個(gè)問題的核心問題是對(duì)電線阻抗進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的信號(hào)引入到ST7536構(gòu)成閉環(huán)，使阻抗匹配，增大輸出功率。另外，在電力載波模塊的，應(yīng)極力避免同一線路上兩個(gè)模塊同時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)，此時(shí)兩模塊互為負(fù)載，模塊若長(zhǎng)時(shí)間工作，將有可能損壞。解決問題的辦法是：建議主從式網(wǎng)絡(luò)，由主機(jī)對(duì)各從機(jī)輪詢，從機(jī)只有得到主機(jī)控制指令后才可以往電力線上發(fā)送信號(hào)；而發(fā)送模塊一旦發(fā)現(xiàn)線路上有其它模塊下在發(fā)送，則本模塊立即轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。

PLI的變壓器設(shè)計(jì)是另一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。圖3所示是PLI的結(jié)構(gòu)示意圖。它由低通濾波、前置放大、變壓器等組成，目的是把ST7536同電力線隔離，在電力線上加載/析取信號(hào)，過濾電力線上的50/60Hz信號(hào)以及發(fā)送信號(hào)的二次諧波信號(hào)。

變壓器的鐵芯是TOKO T1002N，具有兩個(gè)主繞組和一個(gè)副繞組，匝數(shù)比為4：1：1，其電路結(jié)構(gòu)見圖4。變壓器的典型值為：Llt：9.4μH；L4t:140μH。

變壓器的主繞組作用是選通濾波，利用電容C10/C11將諧振頻率設(shè)定在發(fā)送頻率。電容C10/C11與主繞組1t/4t并聯(lián)。這兩個(gè)繞組等效值計(jì)算如下：

Leq=L1t+L4t+2M (1)

其中，M值為：

將（3）式代入（1）式得等效電感：

Leq=L1t+L4t+2×M

=9.4μH+140μH+2×25.6μH=200μH （4）

LC網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為：

所以電容C10與C11并聯(lián)的等效電容（Ceq=Cp=C10//C11）為：

因?yàn)镾T7536是基于窄帶通訊方式的，所以濾波器的通帶很窄，因而對(duì)于每個(gè)發(fā)送頻率Cp具不同的值。

在印刷電路板上電容應(yīng)當(dāng)靠近變壓器。為了獲得最佳的濾波性能，電容C10/C11采用線性度較好的種類。

電容C12用來過濾電力線上的50/60Hz信號(hào)，它將低頻信號(hào)過濾掉而讓高頻信號(hào)得以通過。C12是X2類電容。X2類電容具有短路保護(hù)功能。這在電力載波系統(tǒng)中是不可缺少的。因?yàn)榧偃缛f一電容短路，C12電容就失去了過濾50/60Hz信號(hào)的能力，則PLI就會(huì)燒壞，危險(xiǎn)時(shí)會(huì)對(duì)靠近ST7536的人員造成傷害。

為了避免毛刺對(duì)PLI破壞，在PLI中使用了TRL1雙向穩(wěn)壓管。它的穩(wěn)壓值為6.8V。如果出現(xiàn)了6.8V及以上電壓，TRL1就會(huì)短接到地，從而保護(hù)PLI的其余部件不會(huì)被燒壞。

2.3 通訊協(xié)議

為了使模塊之間能夠相互通訊，給ST75367通訊定制了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的協(xié)議。使用這個(gè)協(xié)議很容易糾錯(cuò)和檢查誤碼率，而且此協(xié)議很容易修改以滿足各種特殊的需求。

在電力線網(wǎng)絡(luò)上，ST7536發(fā)送的是信息幀，每一信息幀由前導(dǎo)字、系統(tǒng)地址、目標(biāo)地址、控制命令塊和數(shù)據(jù)塊五部分組成。前導(dǎo)字和系統(tǒng)地址各占兩個(gè)字節(jié)，目標(biāo)地址、控制命令塊和數(shù)據(jù)塊各占三個(gè)字節(jié)。

前導(dǎo)字用來使發(fā)送ST7536和接收ST7536同步，它由兩個(gè)8位的“10101010”字節(jié)序列組成。接收模塊用它來調(diào)整接收時(shí)鐘。因?yàn)镾T7536發(fā)送出的前3位有可能發(fā)送時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，所以前導(dǎo)字中不含有效數(shù)據(jù)，可以克服開始數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的不可靠數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)地址用來區(qū)分電力載波網(wǎng)絡(luò)中的不同模塊。系統(tǒng)地址只有8位，為了避免發(fā)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)地址發(fā)送了兩次，如圖5所示。幀的目標(biāo)地址、控制命令和數(shù)據(jù)必須是非?？煽康?，所以對(duì)它們要進(jìn)行引錯(cuò)。為了糾錯(cuò)，每個(gè)數(shù)據(jù)要發(fā)送三次。例如，目標(biāo)地址只有8位，它被發(fā)送了三次，分別在目標(biāo)地址1、目標(biāo)地址2和目標(biāo)地址3中?？刂泼詈蛿?shù)據(jù)也是一樣。因此目標(biāo)地址（1、2、3）中應(yīng)該是相同的內(nèi)容。糾錯(cuò)的方法就是利用舉手表決算法從這三個(gè)字節(jié)中提取出正確的信息。糾錯(cuò)的過程如下：首先對(duì)目標(biāo)地址1、目標(biāo)地址2和目標(biāo)地址3的第0位進(jìn)行比較，如果有至少兩個(gè)字節(jié)中的第0位為0，則目標(biāo)地址的第0位為0，否則就為1。然后依次比較第1位、第2位至第7位，這樣可以確定目標(biāo)地址的所有位。

同樣的方法也用來對(duì)控制命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)糾錯(cuò)。

2.4 軟件

根據(jù)通訊協(xié)議，開發(fā)ST7536電子力載波模塊的軟件。ST7536經(jīng)常處于接收狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到一定時(shí)間（設(shè)為500ms）沒有檢測(cè)到有效信號(hào)，ST7536就轉(zhuǎn)入發(fā)送模式，如果有數(shù)據(jù)發(fā)和就發(fā)送，發(fā)送完畢后轉(zhuǎn)入接收模式；如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則直接轉(zhuǎn)入接收模式。

軟件采用了緩沖區(qū)交換技術(shù)，如圖6所示。該軟件中為串口通訊建了一個(gè)輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)，為電力載波通信建了一個(gè)輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。

首先檢測(cè)電力線上是否有有效數(shù)據(jù)，如果有就將其放到電力載波接收緩沖區(qū)；否則就開始輪詢是否有數(shù)據(jù)要通過串口或者電力載波發(fā)送，通過串口過來的數(shù)據(jù)通過中斷進(jìn)入串口接收緩沖區(qū)。輪詢時(shí)，當(dāng)串口接收緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)時(shí)，將其經(jīng)協(xié)議處理機(jī)處理后放到電力載波發(fā)送緩沖區(qū)等待發(fā)送；同樣的方式將電力載波接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)放到串口發(fā)送緩沖區(qū)。最后，軟件依據(jù)電力載波發(fā)送緩沖區(qū)或串口發(fā)送緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)而決定是否采取相應(yīng)的發(fā)送動(dòng)作。

3 實(shí)驗(yàn)和分析

為了驗(yàn)證電力載波通訊模塊的可用性以及智能網(wǎng)絡(luò)家電的可行性，我們開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)洗衣機(jī)和智能電燈作為控制對(duì)象，以家用PC作為HomeServer，其物理示意圖如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，操作者通過Internet或者PSTN拔號(hào)連接到HomeServer上，發(fā)出控制指令或者請(qǐng)求給HomeServer，HomeServer通過RS232將控制指令送給PLCW模塊，PLCW將控制信號(hào)調(diào)制加到電力線上，與家電連接的PLCW接收到信號(hào)并解調(diào)，然后通過RS232將指令送給網(wǎng)絡(luò)洗衣機(jī)和智能電燈。網(wǎng)絡(luò)洗衣機(jī)和智能電燈可以將控制指令執(zhí)行結(jié)果沿相反路徑反饋給操作者。

為了區(qū)分網(wǎng)絡(luò)電器，事先給網(wǎng)絡(luò)電器編號(hào)，即分配地址。例如，網(wǎng)絡(luò)洗衣機(jī)的地址為1，智能電燈的地址分別為2和3。操作員發(fā)出的控制指令中必須包含控制對(duì)象地址。同時(shí)為了控制方便，定義組地址，如255代表所有的電燈，即當(dāng)控制對(duì)象址為255時(shí)，所有的智能電燈都會(huì)接收指令并執(zhí)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在100m范圍以內(nèi)，基于ST^7536的PLCW通訊模塊可以正確地收發(fā)信息，基本上沒有誤碼出現(xiàn)。當(dāng)控制指令較短而且發(fā)出指令的頻率不高時(shí)，PLCW通訊模塊基本上可以實(shí)時(shí)響應(yīng)。但當(dāng)控制指令較長(zhǎng)而且發(fā)出指令較為頻繁時(shí)，PLCW通訊模塊響應(yīng)較慢。這是因?yàn)镾T7536在電力線上的波特率為600bps和1200bps兩種可選。該模塊目前的數(shù)據(jù)通訊速率為600bps。而且因?yàn)槎ㄖ频膮f(xié)議中每幀中只有兩個(gè)字節(jié)（控制命令和數(shù)據(jù)）為實(shí)驗(yàn)需要的字節(jié)，因而每秒鐘傳送的有效信息約為11.6字節(jié)。所以它適用于傳送短消息（命令）數(shù)據(jù)通訊量低以及實(shí)時(shí)性要求不高的情況。

實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用電力載波通訊技術(shù)，可以有效的控制家庭電器，省去家庭重新布線的麻煩。因此，電力載波模塊可以作為基于短消息短命令控制機(jī)制的家庭電器和家用服務(wù)機(jī)器人的控制方式，能夠較好地用于構(gòu)建家庭通訊網(wǎng)絡(luò)，是一種性能價(jià)格比較高的控制方式。