【正文】 沖計(jì)量表等。 11 3 智能家居系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān) (ICDT)設(shè)計(jì) ICDT 介紹 網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端 (ICDT)充當(dāng)比較特殊的角色，它聯(lián)系家庭內(nèi)部所有的智能家居裝置，也是家庭智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接外部網(wǎng)絡(luò)的中樞，顯然 ICDT 是智能家居系統(tǒng) 的核心單元，通常稱為“家庭網(wǎng)關(guān)”，如圖 所示。 ICDT 在結(jié)構(gòu)上主要由兩個(gè)部分組成 :通信接口單元和智能控制單元，兩個(gè)單元之間通過(guò)異步通信接口互連，通信接口單元提供了從電力線通信網(wǎng)絡(luò)到智能控制單元之間的接口。介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議采用以太網(wǎng) ，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議采用 TCP/IP。物業(yè)管理公司也可以通過(guò)訪問(wèn)小區(qū)管理中心的主控 CP 及時(shí)通知住戶交納各項(xiàng)費(fèi)用。25045 集看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和 E2PORM(512 8bit)于一體，用來(lái)存儲(chǔ)記憶系統(tǒng)的一些基本參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征參數(shù)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符及一些與節(jié)點(diǎn)相關(guān)的聯(lián)系。 圖 IDCT 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖 ICDT 中內(nèi)嵌主站電力線，它與從站電力線載波模塊 (下位機(jī)節(jié)點(diǎn) )之間是通過(guò)戶內(nèi)現(xiàn)成電力線連接的。 ICDT 操作系統(tǒng)特點(diǎn) 13 ICDT 的操作系統(tǒng)是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的控制平臺(tái)。 ICDT 任務(wù)比較單一，主要功能就是控制與通信，其載體通常為單片機(jī)，存儲(chǔ)容量有限，而實(shí)際上該控制平臺(tái)的內(nèi)核也是比較小的，一般 10K30K 左右，所以考慮采用內(nèi)嵌模式是最合適的了。所以這就對(duì) ICDT操作系統(tǒng)提出了更高要求 :很強(qiáng)的互動(dòng)和協(xié)同工作能力，而且還要設(shè)置簡(jiǎn)單、便捷。這恰恰體現(xiàn) ICDT 操作系統(tǒng)的專用性。 4 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì) 數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇 論文中提及的智能家居系統(tǒng) ， 是通過(guò) ICDT(網(wǎng)絡(luò)智 能控制數(shù)據(jù)終端 )直接控制和管理智能家居系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)和控制模塊 ， 實(shí)現(xiàn)表計(jì)讀取、安防監(jiān)控、家用電器調(diào)控以及照明開(kāi) /關(guān)等功能。電力線載波通信除具備有線移動(dòng)的特點(diǎn)以外 ， 還具備造價(jià)成本低、通信性能相對(duì)穩(wěn)定、保密性強(qiáng)、不易受空間電磁干擾、不受建筑物阻擋影響等優(yōu)點(diǎn) ， 因此采用電力線載波通信方式實(shí)現(xiàn) ICDT 與檢測(cè)和 14 控制裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸是較為合理的選擇。 圖 電力線數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成 通信模塊的設(shè)計(jì)原理 將電力線數(shù)字載波通信技術(shù)的基本理論運(yùn)用到實(shí)際中，在論文所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)原理的最簡(jiǎn)單應(yīng)用。主站模塊(圖 中 (a)所示 )設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端處 (內(nèi)嵌于 ICDT 中 )， 從站模塊(圖 中 (b)所示 )設(shè)置在各種智能模塊的信號(hào)出口端。 圖 電力線載波通信模塊組成結(jié)構(gòu)圖 盡管主從站模塊在系統(tǒng)中的任務(wù)和作用有所差異 ， 但設(shè)計(jì)的基本思路還是一致的。主控制器將命令和數(shù)據(jù)翻譯過(guò)來(lái)提供給用戶使用 ， 并提供上層 (包含應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層 )的通信協(xié)議。PZL101 除具備原有系統(tǒng)基本的通訊控制功能 :二相相移鍵控 ， 120kHz 載頻 ， 帶寬15kHz， 數(shù)據(jù)速率 500bps； 接收靈敏度為 50 RMSV? (500bps)； 15 位偽碼長(zhǎng)度 ， 可編程同步捕獲門(mén)限 ； 可編程時(shí)鐘 (掉電后電池維護(hù) )I/O 口帶 150V ESD 保護(hù)等。信噪比數(shù)據(jù)傳輸特性比芯片 PL20xx 有了大幅度的提高 ， 同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸速率提升了一倍。 芯片 PL2101 的 CI2 時(shí)序接口引出兩個(gè)管腳 :SDA 串行地址 /數(shù)據(jù)輸入 /輸出和SCL 串行時(shí)鐘端。② SCL 為時(shí)鐘輸入端 ， 用于同步進(jìn)入 PL2101 和從 PL2101發(fā)出的數(shù)據(jù)。主器件和從器件都能工作于發(fā)送器或者接收器的狀態(tài) ， 但何種方式有效由主器件 MCU 決定。由于在單片電路上集成了通用的 8 位 CUP 和閃速存儲(chǔ)器 ， AT89C52 成為功能強(qiáng)大的微控制器 ， 為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種高效靈活的解決方案。 ~ 與串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187 連接。 AT89CZO51 具有以下一些標(biāo)準(zhǔn)特性 :2K 字節(jié)的閃存 PROM、 128 字節(jié) RAM， 15個(gè) I/O 線 ， 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 6 個(gè)兩級(jí)中斷源結(jié)構(gòu) ， 一個(gè)全雙工串行口 ，一個(gè)精確的模擬比較器 ， 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ， 具有 至 6V 的電壓工作范圍和 12MHz/24MHz 工作頻率 ， 同時(shí)還具有加密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖。 本系統(tǒng) MCU 的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖 和圖 ， 設(shè)計(jì)思路一目了然 ， 分別提供了主站和從站模塊中 MCU 的工作程序流程圖。本系統(tǒng)中單片機(jī)串口控制器 SCON 設(shè)置為 50H， SMO、 SMI 為 0、 l， 即為串行工作方式 1， REN 為 1， 即允許串口接收。圖 為主從站載波通信模塊的電路原理框圖。若使用外部時(shí)鐘 ， 可直接從 XTli 輸入 的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng) WDI 持續(xù) 436ms 以上無(wú)高低電平變化 ， 將 20 導(dǎo)致看門(mén)狗計(jì)數(shù)器溢出復(fù)位 ， 使 PL2101 的 RST 腳輸出復(fù)位高電平。 PL2101常態(tài)為載波接收模式 ， 檢測(cè)載波線路的同步幀頭 (根據(jù)通訊規(guī)約 ， 同步幀頭為0x0 0xAF)； 檢測(cè)到同步幀頭后 ， 按通信規(guī)約計(jì)算應(yīng)接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 ； 按接收長(zhǎng)度接收通信數(shù)據(jù) ； 到達(dá)接收長(zhǎng)度后 ， 按通信規(guī)約添加有關(guān)數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度后通過(guò)串口上發(fā) MCU； 由于 PL2101 常態(tài)為接收模式 ， 只有正確收到指令后 ， 才啟 動(dòng)載波發(fā)射態(tài) ， 將數(shù)據(jù)發(fā)送到載波線路上 ， 發(fā)射結(jié)束后進(jìn)入載波接收模式 ； PL2101處于接收狀態(tài)時(shí) ， 載波線路有擴(kuò)頻信號(hào)時(shí) ， HEAD 腳產(chǎn)生同步信號(hào) ； PL2101 處于發(fā)射狀態(tài)時(shí) ， HEAD 腳由芯片內(nèi)部分頻產(chǎn)生同步信號(hào) (500bsP)。 5 總結(jié) 智能家居自動(dòng)化和電力線載波通信是兩個(gè)蓬勃發(fā)展的嶄新學(xué)科。王慶蘭老師的悉心指導(dǎo)使我受益終生。本文立足于電力線通信技術(shù) ,研究開(kāi)發(fā)了基于電力線的智能家居自動(dòng)化系統(tǒng) ,并結(jié)合電力線高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) ,構(gòu)建了基于低壓配電網(wǎng)的集 NITERNET 上網(wǎng) 、智能家居控制于一體的智能化數(shù)字小區(qū) ,為電力線通信技術(shù)和智能家居的應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。 圖 主站模塊 (EPLC600)電路圖 圖 從站模塊 (EPLC6005)電路圖 本章從數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇著手 ， 根據(jù)電力線數(shù)字載波通信技術(shù)的基本原理 ， 設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)家庭自動(dòng) 化通信要求的電力線載波通信模塊。圖 虛線框外包括數(shù)據(jù)信號(hào)禍合、模塊電源部分和單片機(jī)及其外圍接口電路。當(dāng)電源電壓低于 時(shí) ， RESET 腳持續(xù)輸出高電平。 PL2101 主振蕩器所需時(shí)鐘頻率為 。 3P 口的輸出作為數(shù)據(jù)鎖存器和 D/A、 A/D 的禁止和允允許。它有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行口 ， 有 4 種工作方式 ， 其中方式 1 是標(biāo)準(zhǔn)的 10 位異步通信方式 ， 10 位數(shù)據(jù)和 PC 機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串口相對(duì)應(yīng) ， 由串行口控制寄存器 SCON 設(shè)置狀態(tài) ， 其字節(jié)地址為 98H。 主站 /從站單片機(jī)系統(tǒng)的工作流程是這樣的 :單片機(jī)利用自身具有的串行通信口 ， 直接接收芯片 PLZ101 傳送下來(lái)的串行數(shù)據(jù) ， 然后將所接收的各組數(shù)據(jù)通過(guò)并行口輸出 ， 經(jīng)過(guò)數(shù)字光隔 ， 送到數(shù)據(jù)鎖存器 74LS373， 最后將鎖存的數(shù)據(jù)送到 D/A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并 通過(guò)運(yùn)放將模擬信號(hào)輸出 ， 同時(shí)顯示在 ICDT 界面上。 b)E2PROM 之所以選用 E2PROM， 是因?yàn)?E2PROM在工作電壓下就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀和寫(xiě) ，這樣 ， 就可以在編制應(yīng)用程序時(shí) ， 在特定條件下從 E2PROM 中讀取重要參數(shù)或在E2PROM 保存重要參數(shù)。 a)I/O 通道分配 : 17 P0:地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線。 AT89C52 是一種采用 MCOS 工藝制造的高性能低功耗的 8 位微控制器 ， 擁有8Kbytes 的電擦除可編程只讀 XI]存 (Flash programmable and erasable read only memory)， 該閃存允許在系統(tǒng)內(nèi)再編程 ， 或通過(guò)傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器編程。當(dāng)器件處于傳送數(shù)據(jù)到總線狀態(tài)時(shí) ， 我們稱之為發(fā)送器 ， 當(dāng)器件處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)則稱為接收器。對(duì)于一般的數(shù)據(jù)傳輸 ， 僅在 SCL 為低期間 SDA 才可以變化。 芯片 PL2101 的發(fā)送接收工作時(shí)序 : 當(dāng)芯片處于發(fā)射態(tài)時(shí) ， 由于 PL2101 內(nèi)部由 HEAD 的上升沿對(duì) RXD_TXD 的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存 ， 故外部 MCU 應(yīng)當(dāng)在 HEAD 的下降沿后將數(shù)據(jù)置于 RXD_TXD 管腳。 PL2101 芯片內(nèi)部建有高靈敏度放大器及四象限模擬乘法器 ， 進(jìn)一步提高了集成度 ， 無(wú)需外部模擬混頻器。 主站 /從站通信模塊所采用的核心芯片 PL2101 PL2101 是專為電力線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器 ， 是 PL200O 的升級(jí)產(chǎn)品。 主從站模塊硬件設(shè)計(jì) 論文設(shè)計(jì)的 通信模塊主要由兩部分組成 :數(shù)據(jù)的發(fā)送 /接收單元和主控制器。從站采集到需要上傳的脈沖信號(hào) ， 處理 ， 調(diào)制 ， 轉(zhuǎn)換成適合電力線傳輸?shù)哪M信號(hào) ， 經(jīng)電力線發(fā)送 至主站 ； 主站接收從站的上傳信號(hào) ， 解調(diào) ， 還原為初始的脈沖信號(hào) ， 再通過(guò) I/O 口發(fā)送至 ICDT， 進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。 圖 主從站通信系統(tǒng)框圖 由于設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)智能控 制數(shù)據(jù)終端的信號(hào) I/O 口處的通信模塊 ， 與各表計(jì)脈沖信號(hào)輸出端口、家用電器的控制信號(hào) I/O 口、以及各種安防報(bào)警信號(hào)輸出端口等處的通信模塊的復(fù)雜程度不一樣 ， 實(shí)現(xiàn)的功能也不盡相同。 發(fā)送端把采集到的原始信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行相應(yīng)處理 ， 轉(zhuǎn)變成適合電力線傳輸?shù)妮d波信號(hào) ， 信號(hào)經(jīng)電力線傳輸?shù)浇邮斩说慕庹{(diào)器 ， 再經(jīng)過(guò)反向處理 ， 在接收端得到還原后的原始信號(hào)。目前可以采取多種通信方式實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊 ， 具有代表意義的有 :RS232/RS485 雙絞線通信 ； 電力線載波通信 ； 無(wú)線通信 (無(wú)線局域網(wǎng) ， 藍(lán)牙等 )， 紅外線傳輸 ， 光纖 ， 以太網(wǎng)等。 ICDT 操作系統(tǒng)對(duì)調(diào)用用戶的程序和對(duì)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)該有充分的靈活性。 由于數(shù)字