目前，门禁系统的信道媒质有2 种：(1)专线：采用专门的线路(例如电话线、闭路线等)来传输信息，其特点是布线复杂、成本高；(2)无线：无线的方式传输信息，存在阴影衰落、多径干扰及其他电磁干扰，系统的可靠性和安全性受限。本文利用家庭低压电力线这个现成布线资源， 充分发掘其潜能，传输门禁控制信号，实现电力线载波门禁功能， 避免了现有智能化系统在住宅内错综复杂的布线，既可用于新建住宅，又便于已建住宅的智能化改造 。另外，利用经典的调制/ 解调芯片构建的FM 调频电路， 在近距离通信中以其较高的性价比和较易实现的方式成为电路设计人员的。笔者结合具有较强的抗干扰能力和较低的误码率的双音多频 (DTMF) 编码技术，设计了基于FM 调频技术的低压电力线门禁系统。
1 系统网络拓扑结构
系统网络拓扑结构如图1 所示，由1 个门机、多个室机以及室内低压电力线组成。
门机安装在大门处，其中，按键安装在门外，其余部分安装在门内；每个室机制成装饰品，插在客厅、厨房、卧室、书房、卫生间等处的电力线插座上，并根据需要增减、移动,每个室机的地址码相同，保证门机发送请求信号时，每个室机能同时接收到信号；目前室内低压电力线大多采用暗线，如图1 中电力零线、电力火线均内置于墙体中。
2 FM 数学模型
可见，在调频信号中，叠加在ω c 上的瞬时角频率按调制信号规律变化，而叠加在ω ct 上的瞬时相角则按调制信号的时间积分值规律变化。以单音调制为例,将式(2)代入(6)式， 则FM 波表达式为：
kf 称调频灵敏度，单位为red /(Sv )。根据帕塞瓦尔定理， 调频信号的平均功率等于各频谱分量平均功率之和，在单位电阻上，其值为：
上式表明，当Vm 一定时，调频波的平均功率也就一定，且等于未调制时的载波功率。
3 系统设计
3.1 系统硬件设计
系统硬件设计框图如图2 所示。MCU 作为中央处理单元，一方面接收按键命令，调度通信协议，控制DTMF产生编码信号，完成发送数据命令；另一方面响应接收数据中断，处理DTMF 接收的数据，控制执行单元动作，该系统MCU 选用性价比很高的STC89C52。
DTMF 编解码芯片选用MT8880，DTMF 信号分为高频组和低频组，各包含有4 个频率，可以构成16 种不同的信号，每种信号由2 个正弦波信号叠加而成，选定2个频率ω 1 和ω 2 后可得到DTMF 信号的数学表达式为：
3.1.1 FM 发射机电路
图3 是发射机电路图，MT8880 产生的DTMF 信号vΩ(t)送入锁相环LM56 的2 脚。通过锁相环LM567 调制变为较高频率信号，即将式(14)代入式(7)得：
由锁相环LM56 参数可知Vm ≈ 4 V，调频波平均功率Pav =8 W，锁相环输出的振荡角频率与5、6 引脚外接的定时元件R、C 的关系式为：
改变R 和C 可以获得不同的频率，锁相环LM567 的振荡频率可以在0.01 Hz～500 kHz 范围内连续变化，可改变R8 来获得适当的频率。调制载波频率根据电力线的频率特性一般选在100 kHz～450 kHz 范围之内。该系统中门机的载波频率选择为300 kHz，室机的载波频率选择为400 kHz。为防止 LM567 的5 脚输出的方波影响系统正常接收来自电力线的双音频信号， 所以通过单片机的P1.0 口控制与门的通断：当发送信号时，P1.0 为高电平，与门导通；处于接收状态时，P1.0 为低电平，门断开，之后的高频信号由三极管、C 17 及变压器对载波信号调谐放大，由耦合电容送入电力线传送。
3.1.2 FM 接收机电路
FM 接收机电路如图4 所示，接收信号时，由电力线传送来的信号经高压耦合电容C 18、C 19 和变压器组成的高频滤波环路、再经LC 并联、谐振回路选频，之后经过滤波、放大电路，送入锁相环LM567 的3 脚。当载波信号的频率与LM567 的中心频率相同时，则对此信号进行解调。解调后的DTMF 信号由2 脚输出， 送入MT8880。
3.2 系统软件设计
3.2.1 通信协议
根据本系统的特点，设计一套通信协议，协议的数据帧结构由16 位码元组成，发送编码时，MT8880 每次发送4 位，4 次发送1 帧；接收同理。数据帧的结构如表1 所示。
其中，帧头为1111；ID 为发送端本地ID 号，可在0～15 之间设置，由于门机与室机各占用一个ID，因此多可以扩展16/2 ＝ 8 户，8 个ID 号足够使邻居间门禁
系统不产生误响；4 位控制命令可以在0～15 之间设置(不能与结束码相同)， 这里统一设置激活门铃的码为1100，激活门锁的码为0011，结束码为0000，MT8880 具有强大的锁存功能，必须用结束码清除数据。每接收4位中断1 次，转入中断服务程序，判断是否正确，正确则接收下4 位，否则舍弃重新接收。室机的本地帧可设定为:RST[15]={0,0,0,0,1,1,0,0,1,0,1,0,1,1,1,1}, 门机同理。
3.2.2 程序设计
门机程序流程图如图5 所示，MT8880 有6 种工作模式，本设计使用中断模式,在此模式下选择DTMF 方式。当DTMF 信号被接收或出现在监测时间内，IRP/CALL 端
下拉至低电压，STC89C52 若检测到外部中断信号，则读取数据，若接收数据等于设定编码，则保存到16 位数组DAT[15]中，帧头存入数组0～3 中，依次往高位存，并N+1,然后准备接收下4 位编码，否者N =0，等待重发，直到一帧接收完毕(即N =3)，若DAT[15]=RST[15]，则开锁；若有键按下，则转入发送程序。室机流程图与门机不同之处是将开锁换成响铃。
另外，软件设计时，需模拟MT8880 的控制时序，用指令对P2 口进行读写操作。控制芯片内部的CRA、CRB等寄存器，从而实现对MT8880 的发送与接收控制。
4 实验结果及分析
系统安装在重庆大学主教学楼26 楼的2611(通信与测控研究所)，门机安装在大门处，室机安插在室内办公桌上的电力线插座上，电力线长度15 m。系统的主要工作参数为：门机载波频率300 kHz,室机载波频率400 kHz,载频波平均功率p av=8 W，调制波频率由MT8880 的参数决定，其中：
在进行通信实验时， 笔者利用泰克示波器重点监视了FM 发射机之前的“发送波形”和FM 接收机之后的“接收波形”，如图6 所示。
当门机按下请求按键时，MCU 控制MT8880 产生双音多频信号C 1，C 1 经过FM 调频发射机调制后耦合到电力线上，室机将耦合接收到的信号经过FM 调频接收机解调后得到双音频多频信号C 2。可以看出C 2 与C 1 几乎完全吻合。实验证实了FM 调频发射机与FM 调频接收的可靠性。该系统给出了基于FM 的低压电力线门禁系统的原理及实现过程， 主要讨论了在通信协议的支持下， 对DTMF 产生的控制信号进行调制/ 解调，实验证明采用低压电力线进行短距离的控制信号传递是完全可行的，且系统实现体成本、灵活、可靠。
[1]. MT8880 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MT8880_491369.html.
[2]. LM56 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM56+_451642.html.
[3]. LM567 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM567+_451669.html.
[4]. DAT datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DAT_1869419.html.
[5]. CRB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CRB_2331176.html.
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