【正文】 主從站模塊硬件設(shè)計(jì) ............................................ 15 主站 /從站通信模塊所采用的核心芯片 PL2101 .................... 15 MCU 介紹 .................................................... 16 主站 /從站電路原理圖 ........................................... 17 致謝 ............................................................... 22 參考文獻(xiàn) ........................................................... 22 1 基于電力線通信技術(shù)的智能家居解決方案 自動化專業(yè)學(xué)生 徐吉棟 指導(dǎo)教師 王慶蘭 Student majoring in Automation Xu Jidong Tutor Wang Qinglan 智能家居系統(tǒng)介紹 智能家居 是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù) 、綜合布線技術(shù)、醫(yī)療電子技術(shù)依照 人體工程學(xué) 原理，融合個(gè)性需求，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如安防、 燈光控制 、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯(lián)動、地板采暖、健康保健、衛(wèi)生防疫、安防保安等有機(jī)地結(jié)合在一起（如圖 ），通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管 理，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家居 生活體驗(yàn) 。因此，出現(xiàn)了融合控制網(wǎng)絡(luò)和多媒體信息網(wǎng)絡(luò)于一體的“家庭總線”。 圖 電力線高速通信技術(shù)在家庭中的應(yīng)用 近幾年，隨著 Inter 技術(shù)的發(fā)展及寬帶局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的全面建設(shè)，登陸上網(wǎng)的人數(shù)成倍增長，家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將是下一個(gè)數(shù)字化目標(biāo)。此外，也為電力公司提供了一個(gè)拓展業(yè)務(wù)范圍的機(jī)會，從而在自由競爭的市場中獲得更強(qiáng)的競爭力和更可觀的利潤。該項(xiàng)技術(shù)一旦進(jìn)入商業(yè)化階段，將會促進(jìn)電信市場的變革，并給互聯(lián)網(wǎng)普及帶來極大的發(fā)展空間。 5 圖 基于 PLC 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖 在小區(qū)的每一住戶家中安裝一臺 ICDT，每臺分配固定的 IP 地址。其余設(shè)備，如門窗磁、緊急按鈕、家電控制器、警鈴警燈等，無論輸入輸出都屬開關(guān)量采集，工作原理與前兩者類似。接口單元是指電力線調(diào)制解調(diào)器同用戶設(shè)備間的雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，這些接口包括同計(jì)算機(jī)之間的 RJ45 以太網(wǎng)接口或 UBS 接口。在EPLC14M 系統(tǒng)接收端，將接收到的信號分成幾路載波，然后與本地晶振信號混合，產(chǎn)生新的信號；將這幾路信號傳送到 EPLC14M 系統(tǒng)的接收裝置，再通過以太網(wǎng)口或者 USB 接口與計(jì)算機(jī)或智能電器相連。而且它可以在家庭寬帶入口處加裝 EPCL14ME 電力線一以太網(wǎng)橋，其以太網(wǎng)口同入戶寬帶接口相連，電力線接口插入家中任一墻上插座，即可在家庭任一有墻上插座的房間享受有線移動網(wǎng)絡(luò)帶來的便利。在小區(qū)管理中心，中央服務(wù)器連接到HUB 上，通過 HUB 與 14Mbps 電力線高速通信設(shè)備連接，這樣通過小區(qū)電力線網(wǎng)絡(luò)，方便小區(qū)住戶與小區(qū)管理中心互訪。 系統(tǒng)功能 本章第一節(jié)給出了智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，按此方案設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種功能 : 防盜報(bào)警 家中的各類防盜報(bào)警探頭處加裝電力線載波通信模塊一“從站模塊”(EPLC6005)，每個(gè)從站端口均可獨(dú)立設(shè)置任意長度的延遲時(shí)間、劃分布防組別、設(shè)定端口常態(tài) (常開 /常閉 )，以及設(shè)定報(bào)警方式 (是否上報(bào)中心或本地報(bào)警 )等。 緊急求助 用戶將緊急求助按鈕安放在家中比較醒目易操作的位置，在按鈕處也加裝從站模塊。 ICDT 系統(tǒng)的顯示界面可滾動存儲六條電子公告。只需要輕觸一個(gè)按鈕便可產(chǎn)生一種預(yù)先設(shè)定的照明效果，使用方便。另外，住戶還可通過 Inter 向家中的發(fā)送操作短信息。圖 中，室內(nèi)電力線主干路的上方標(biāo)注輸入設(shè)備， ICDT 采集讀取它們的輸入數(shù)據(jù)和發(fā)送信號；下方標(biāo)注輸出設(shè)備， ICDT 向它們發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作。用戶可以通過智能控制單元外設(shè)的鍵盤布防、撤防，開關(guān)電器、控制燈光，以及查詢當(dāng)前水電氣表讀數(shù)及費(fèi)用。點(diǎn)陣圖形 液晶顯示器選用 MGL(5)12864，字庫由字模提取軟件生成，存在 EPROM 中。 ICDT 操作系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn) : (l)它是內(nèi)嵌式操作系統(tǒng)。但數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的最終任務(wù)畢竟是實(shí)現(xiàn)對家庭中的所有家電和微控制裝置的的控制和監(jiān)，通信只是實(shí)現(xiàn)任務(wù)過程中的重要步驟，也不能太過忽視控制方面的研究工作。相對其它通信方式 ， 電力線無處不在的特點(diǎn)最適合用作智能家居自動化系統(tǒng)的通信介質(zhì) ， 利用電力線載波數(shù)據(jù)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭控制和管理是具有一定優(yōu)勢的。所以 ， 設(shè)計(jì)過程中考慮設(shè)計(jì)兩種類型的電力線通信模塊 :主站通信模塊和從站通信模塊。數(shù)據(jù)的發(fā)送 /接收單元提供通信底層的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。芯片 PZL101 是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。在 SCL 為高期間變化 ， 留給指示 START(開始 )和 STOP(停止 )條件。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 80C51/8OC52 指令和引腳相兼容。 AT80C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器 (FLASH ROM)的低電壓、高性能 CMOS 8 位微控制器 ， 該器件采用 ATMEL 高密度、非易失性存儲器技術(shù)制造 ， 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和引腳相兼容 ， 由于將通用的 8 位 CPU和閃速存儲器組合在單個(gè)芯片中 ， AT89C2051 是一種高效微控制器 ， 為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活性高且價(jià)廉的有效解決方案。如下式所示。為使振蕩器工作更加可靠 ， 連接于振蕩器兩端的電容一般用 30pF， 也可在 30 一 68pF 之間取值。 該電路的通信過程為 :PL2101 接收下發(fā)指令時(shí) ， 是由微處理器單片機(jī)將下發(fā)指令的具體內(nèi)容 ， 以透明、同步方式送 PL2101， 由載波發(fā)送到線路上。 致謝 本論文是在王慶蘭老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。文中詳細(xì)介紹了通信模塊 (EPLC600/5)的硬件電路設(shè)計(jì)及微處理器軟件設(shè)計(jì) ， 給出了主站 /從站通信模塊的電路設(shè)計(jì)圖。 WDI:看門狗計(jì)數(shù)器清零輸入端。 主站 /從站電路原理圖 依據(jù)文中 節(jié)的關(guān)于主芯片 PL2101 的功能特點(diǎn)介紹和工作原理，以及 MCU的工作流程思路，設(shè)計(jì)了主站 /從站載波通信模塊電路。反向的信號通過隔離 ， 經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)鎖存器 ， 變成單片機(jī)所需的并行數(shù)字信號送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲單元中 ， 再由串行口返送到芯片 PL2101。 P1: 一 與 E2PR0M24C02 連接 ， ~ 與多路電子開關(guān) CD4052連接 ?？偩€必須由一個(gè)主器件控制 ， 選擇 MCU 作為該通信模塊的 主器件 ， 它產(chǎn)生串行時(shí)鐘(SCL)， 控制總線存取 ， 并且產(chǎn)生開始位 (START)和停止位 (END)， 芯片 PL2101作為從器件工作。 當(dāng)芯片處于接收態(tài)時(shí) ， 由于 PL2101 內(nèi)部由 HEAD 的上升沿對內(nèi)部解調(diào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存輸出 ， 故外部 MCU 應(yīng)當(dāng)在 HEAD 的下降沿后讀取 PL2101 接收到的數(shù)據(jù)。它僅由單一的 +5V 電源供電 ， 以及一個(gè)外部的接口 電路與電力線禍合。同樣地 ， 當(dāng) ICDT要向各受控裝置下傳命令信號時(shí) ， 先是主站進(jìn)行信號處理 ， 調(diào)制 ， 經(jīng)電力線傳送 ， 15 從站解調(diào)接收的信號 ， 還原 ， 再通過 I/0 口發(fā)送給相應(yīng)的智能裝置 ， 實(shí)現(xiàn) ICDT的控制功能。電力線數(shù)字載波通信技術(shù)的原理詳見框圖 。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備是在不斷變化更新的，所以 ICDT 操作系統(tǒng)必須能適應(yīng)這種需求。分布式的系統(tǒng)要求每一個(gè)從站系統(tǒng)要有獨(dú)立性，能僅依靠自己的硬件軟件資源即可獨(dú)立地完成一定的任務(wù)；同時(shí)每一從站還應(yīng)該與其它從站系統(tǒng)有密切聯(lián)系，以便協(xié)同完成一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)。開發(fā)板提供 1 個(gè)與 SR 一 232 接口、 1 個(gè)與廠商配置的端口 (既可用于 SR485，又可用于 SR232)、 4 個(gè)高速電流輸出設(shè)備、 4 個(gè)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備、 7 個(gè)定時(shí)器、 1 個(gè)實(shí)時(shí)電池支持時(shí)鐘和 1個(gè) 10BaseT以太網(wǎng)接口，并提供了 TCP/IP協(xié)議的全部源代碼，實(shí)現(xiàn)了 TCP/IP和 SR232之間的相互轉(zhuǎn)換，為現(xiàn)場設(shè)備的上網(wǎng)提供了軟硬件平臺?？刂破鬟x用 Intel 高性能 16 位單片機(jī)80C196KC，在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分別擴(kuò)展了 32BK 數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。從智能控制單元發(fā)過來的數(shù)據(jù)在通信接口單元被拆分、打包并加上協(xié)議頭發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸采用電力線數(shù)字載波通信技術(shù)，無需重新布線，方便可靠；家庭與外界通信采用日益成熟的電力線高速通信技術(shù)，應(yīng)用 14Mbps 電力線調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效的寬帶通信。 內(nèi)置 HUB 芯片提供多個(gè)信息口 網(wǎng)絡(luò)智能控制數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)在保證自身在小區(qū)局域網(wǎng)上正常運(yùn)行的同時(shí)，還可以以很低的成本擴(kuò)展出三個(gè)信息口為住戶登陸 Inter、加設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或進(jìn)行家庭內(nèi)部組網(wǎng)提供方便。由于該項(xiàng)功能是 ICDT 實(shí)時(shí)訪問小區(qū)管理中心數(shù)據(jù)庫的方式實(shí)現(xiàn)的，所以小區(qū)需要具備 電子商務(wù)。由于住戶密碼可自行設(shè)定，則在保證密碼安全的同時(shí)也 最大限度的實(shí)現(xiàn)了防脅迫秘密報(bào)警的獨(dú)特功育旨。 火災(zāi)自動探測報(bào)警 用戶在煙感火災(zāi)探測器上加裝從站模塊即可實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)口連接寬帶入口，電力線接口直接連接到電力線上，即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信與電力線通信之間的轉(zhuǎn)換。所以他為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供一種全新的寬帶入戶思路一租借供電公司的電力線作為通信介質(zhì)。 7 圖 EPLC14M 調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部電路組成框圖 14Mbps 電力線高速通信系統(tǒng)功能 14Mbps 電力線可以解決寬帶到小區(qū)后的最后 300 米問題，實(shí)現(xiàn)自配電變壓器至用戶家庭的全電力線介質(zhì)接入網(wǎng)，無需布線、無需穿墻過孔、不破壞裝修，節(jié)省人力物力。 圖 中給出了 EPLC14M 調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部電路組成框圖。于室內(nèi)，采用低壓電力線低速載波技術(shù)，設(shè)計(jì)電力線載波通信模塊，完成智能家居裝