基于电力线通信的家庭网络技术

时间：2009-09-26

　　主要介绍PIC技术在智能家居系统中的运用，给出PLC网络化控制系统的结构．描述智能家居系统控制端设备和局端设备的设计方法．以厦设备的电磁兼容性。该系统实现了家电智能控制、安防控制和上网功能。

　　目前，中国的智能家居系统以智能安防为主，正逐渐向家电的网络化控制延伸。如何更有效地解决安防、家电智能控制、上网等问题，逐渐成为研究的热点。电力线通信(Power Line Communication，PLC)，是指利用中、低压电力线作为通信介质，实现数据、语音、图像等综合业务传输的通信技术。利用PLC实现智能家居的网络化控制无需架线，不破坏住宅结构，连接方便、快捷，是智能家居网络化控制的理想选择。本系统采用Intcllon公司的INT5200芯片作为电力载波芯片，网络数据由与家电设备相连的电力线传送，并通过HomePlug协议实现交互，采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交频分复用技术进行调制解调，从而实现家电控制、PLC上网和家庭安防。

　　1 网络化控制系统的结构

　　图l为PLC网络化控制系统的结构示意图。调制解调器为已有的ADSL或有线电视同轴电缆的Modem，PLC主控终端接收到Modem解调出来的网络信号后，将其转换为电力线通信的数据包，并进行加密、OFDM调制、D／A转换、放大等处理，然后通过耦合电路将电力线差分信号耦合到家庭的220V交流电力线的相线和中线上。这样，在家庭的任何一个电源插座处，均可通过耦合电路获得电力线差分信号；接着通过PLC局端通信接口对电力线信号进行滤波、A／D转换、增益调整、OFDM解调等处理；再将数据还原为标准的网络信息送到PC网卡，或者直接根据接收的信息内容，通过PLC局端的微处理器控制其他家电设备和安防控制设备。同理，PC、其他家电设备或安防控制设备的数据和状态信息，也可以按照相反的过程传到PLC主控终端，经过Modem发送到Internet网上，供远程用户使用。

　　2 智能家居系统的PLC主控终端

　　PLC主控终端主要由主控终端接口和电力线耦合两部分组成。PLC主控终端的主要功能是实现以太网数据包和电力包之间的相互转换，OFDM调制解调和信号与电力线的耦合。其中，主控终端接口由INT5200、以太网PHY芯片RTL8201BL、网络隔离变压器H1102、接收滤波电路和保护电路、发送驱动电路、E2PROM存储设备、LED状态指示部分以及电力线耦合电路等构成。其电路结构如图2所示。

　　INT5200是一个集成电力线MAC层、PHY层和模拟前端(AFE)的收发器。INT5200采用正交频分多路复用(OFDM)调制解调技术，根据信噪比选择可用的载波频率，解决噪声源干扰和多路衰减等问题，在苛刻的电力线通信环境下实现高达14 Mbps的可靠传输。TNT5200的MAC层采用基于优先级的CSMA／CA机制和自动应答(ARQ)机制，并对以太网数据进行重新打包，实现数据包的可靠传输。INT5200集成的模拟前端(AFE)实现了信号的放大、滤波、A／D转换和D／A转换等功能。

　　在PLC主控终端电路中，INT5200工作在主机模式。INT5200与RTL8201BL之间通过MII接口进行通信，收发以太网的数据包。MII接口提供独立的4位数据收发通道，RTL8201BL为INT5200提供同步时钟信号。MII接口具有两线串行数据管理接口(MII_MDCLK和MII_MDIO)，通过这个管理接口可以访问RTL820lBL的寄存器。当从电力线接收电力信息时，主控终端首先从220V电力线上通过耦合电路提取电力信息，再经过滤波、增益调整等处理，发送给INT5200。

　　INT5200将接收到的电力信息进行解调等处理后，还原为以太网的数据包，并通过RTL8201和H1102发送给ADSL或有线电视同轴电缆的Modem。这样PLC主控终端就可以通过Modem与外部Internet相连。往电力线上发送数据信息的过程与接收过程相反。在向电力线耦合发送数据之前，考虑到信号传输过程中的衰减，要用驱动电路将发送信息放大到一定程度，以增强信号强度。E2PROM存储单元采用AT93C46，用来保存配置信息(包括MAC地址、网络密码、增益调整参数等)，并通过SPI接口与INT5200进行通信。LED指示灯用来显示网络的LINK、ACT等状态。

　　要想通过220 V的家用电力线来传输数据，必须采取合适的耦合方式。在设计电力线的耦合方式时，须考虑到电力线通信环境的特殊性，同时要考虑到电力线的阻抗较低，一般为几十Ω。图3为PLC主控终端的电力线耦合电路，其中TXl+和TXl-用于连接图2中的驱动电路，是INT5200的电力数据信息发送端；RXl+和RX1-用于连接图2中滤波保护电路，是INT5200的电力数据信息接收端。在相线和中线之间并联一个压敏电阻器MOV(07D471)，可以防止电力线上的浪涌，避免系统受到损害。电容C和耦合变压器的次级构成高通滤波器，可以让电力数据信息通过，阻止交流电源的低频信号通过。当设备从电力线上脱离时，电阻R可以用来释放电容器中的能量。

　　3 智能家居系统的PLC局端

　　PLC局端的作用：家电设备(如空调等)或安防控制没备可以通过PLC局端从电力线接收控制信息和反馈状态信息，实现与PLC主控终端的通信；通过PLC主控终端和借助Modem，就可以实现智能家电的远程监控和安防控制。计算机也可以通过这种方式实现上网。

　　PLC局端电路包括PLC局端通信接口电路和电力线耦合电路。电力线耦合电路如图3所示，PLC局端通信接口电路的结构如图4所示。图中INT52OO工作在PHY模式，微处理器用S3C2510A。PLC主控终端通过Modem获取Internet远程控制信息后，通过电力线发送给PLC局端；PLC局端首先对耦合电路接收到的控制信息进行滤波，再经过INT5200进行增益调整、解调等处理后，通过MII接口将信息发送给S3C2510A；S3C2510A分析控制信息码，并根据控制信息码的内容，与智能家电的通信接口进行通信。

　　这样，就可以实现智能家电的远程控制。同理，智能家电电可以将状态信息反馈给远程用户。由于家电设备的控制系统存在差异性，不同家电设备的PLC局端实现方法略有不同，主要体现在家电设备控制单元与S3C2510A的通信接口和控制协议上。家电设备控制单元可以通过串口或其他总线与S3C2510A进行通信。目前国家还未正式出台这方面的通信标准，采用什么样的具体接口和协议必须与家电设备生产厂商保持一致。同理，安防控制设备也可以通过上述方法，将家里的安防状态信息反馈给远程用户。远程用户也可以控制安防控制设备，进行相关安防控制。

　　PLC局端中的S3C2510A具有2个独立的10／100Mbps的以太网控制器，这两个接口可以完成。IEEE802．3的MAC层处理。它的MII接口除了挂接INT5200(PHY模式)之外，还可以挂接一个以太网的PHY芯片RTL802lBL(如图4所示)。图中为了表述得更清楚一些，特将MII接口分开来画。在MII上挂接两个物理层芯片时，需要根据物理层的地址选择线来判断控制信息是发给INT5200(PHY模式)的，还是发给RTL820lBL的。图4中，RTL8201BL通过网线与计算机相连。这样，计算机通过PLC局端、电力线、PLC主控终端和Modem就可以实现PLC上网。

　　4 EMC测试结果

　　本系统的PLC主控终端和PLC局端，按照GB9254-1998和GB/T17618-1998的测试方法，进行了电源端子骚扰电压，电信端口传导共模骚扰，辐射骚扰，上频磁场，射频电磁场，静电放电，电信端口和电源输入端口的注入电流、浪涌、脉冲群，电源输入端口的电压暂降、电压中断测试。测试结果符合国标要求，以下是PLC主控终端的部分实际测试结果。

　　图5为电源端子骚扰电压的测试曲线。测试环境为23℃，69％TH，lOl kPa，按照GB9254-1998的测试方法进行测试。由图5可知，符合国标要求。

　　图6为电磁场辐射骚扰的测试曲线。测试环境为23℃，63％TH，101．5 kPa，按照GB9254-1998测试方法进行测试。由图6可知，符合国标要求。

　　结语

　　与其他通信方式相比，电力线网络通信有着明显的优势：电网的电力线覆盖面积广；不需要另外铺设通信电缆，对已经装修的家庭用户来说，能提供极大的便利。利用高速的电力线网络通信技术，可以为智能家居系统提供良好的网络化通信平台，能推动数字家庭产业的快速发展，对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义，具有非常良好的市场前景。

参考文献:

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