Research and realization of Intelligent Home network By Power Line Bus
摘要：随着信息通讯技术及智能化技术的高速发展，智能楼宇、智能家居成为当今IT技术发展的一个新热点。通过电力载波通讯技术实现智能家居的电力线总线网络，能为智能家居网提供最大的便利。本文正是以TDA5051为基础，实践了一个电力线家居总线方案。
关键词：智能家居；电力线通信；TDA5051
Abstract: Along with the rapid development of communication technology and intelligence technology, Intelligent Building and Intelligent Home(IH) have become a new focus in the information world. Using the Power Line carrier communication technology to realize an IH Power Line network bus will provide the best advantage for IH network. This project carried out a Power Line bus for IH via TDA5051.
Key words: Intelligent Home; Power Line communication; TDA5051

随着互联网技术和信息通讯技术的飞速发展，信息化、智能化的浪潮正在席卷世界的每个角落，人们的生活发生了翻天覆地的变化。智能化和信息化正逐渐成为人们最基本的需求而体现在生活的各个层面上。智能家居、智能楼宇成为当今IT发展的一个新热点。
对于家居网而言，电力网是覆盖面最广、最为普遍的传输介质。如能充分利用电力网的资源其优势将是不言而喻的。其方便性、经济性无疑可极大的降低家居组网的风险和成本，并推动智能家居网的发展。
电力载波通讯技术，采用家庭内现有的交流电源线作为通讯链路，安装方便，只要插入墙上的电源插座即可达到通讯控制的要求。这种方式优势明显，故在本课题中，使用电力线来进行家居组网。通过电力线作为家居总线，完成相关控制与状态信息的传送。
1． 系统简介
系统中，家居网络使用电力线的总线方式，实现集中管理和控制。智能家居中央控制器通过电力线接口的总线方式与各控制节点进行联系，实现诸如家居安防、电器控制、环境控制、照明控制、视频监控及智能协同等。
由于使用电力线连接，可以大大降低家居网布线的成本，并具有即插即用的特点。通过在各控制节点设置拨码地址，更可以实现无限的节点扩展能力。从根本上解决了传统的集中控制器的缺陷。
各分布控制节点通过电力线接口与家居电力总线连接，实现与家居中央控制器的通讯，对家居网中的各种设备即时控制、状态报告并协同工作。在各控制节点，通过单片扩展，可实现直接的家居设备控制；也可在家居设备原有的红外遥控的基础上，实现红外码的转发来对设备进行控制。系统结构如图1[1]。
2． 电力线载波芯片
根据家居网中节点多，传输速度要求不高的特性。可选用低成本，但传输稳定可靠的电力线芯片来构建电力线接口PLCI（Power Line Communication Interface）。比较几种国内常用的电力线载波芯片，SGS-THOMSON公司的ST7536、Intellon公司的SSCP300、Echelon
公司的PLT-22、微芯力公司的SC1128等。我们选用PHILIPS公司的TDA5051来做为家居网的电力线接口。其使用ASK调制方式，是专为家居设备设计的低成本电力线通讯IC。提供1200bps通讯速度。满足家居控制网的要求。
在本课题中，使用电力载波调制解调芯片TDA5051来设计的电力线接口包括两种:家居中央控制器接口和设备节点接口。其中，中控端的电力线接口负责面向所有节点的通讯，节点处的电力线接口负责当前节点的通信及控制。
 

3． 电力线接口设计
在本系统中，使用电力线作为家居总线，对于每个节点来说，电力线接口通讯部分都是相同的。而对于不同类的家居设备而言，其电力线接口不同之处主要在于控制部分。对于家居中控的电力线接口，没有控制部分，仅需使用2051与家居中控实现RS232接口通讯。典型结构如图2。
 

整个电力线接口包括三个部分：
◆电力线通讯—实现底层通讯
◆串行接口—微控制器与TDA5051数据传输
◆设备控制—家居设备控制
（1）TDA5051电力线通讯
TDA5051及发送/接收耦合电路解决了家居网的核心问题，即电力线底层通讯，实现了家居网中的物理层及数据链接层。其内部实际已整合了载波调制、扩频调制、数字滤波、前级放大、功率放大、A/D（D/A）等物理层必需部分。能将数据按自己的帧格式发送到电力线，并从电力线上接收载波信号，按相应帧格式还原为原数据[2]。
在设计中，TDA5051自身连接晶振（7.3728MHz），并向89S52提供时钟信号。通过耦合变压器76250将信号引入或藕合到电力线。设计电路如图3。
（2）串行接口
将DATAIN 、DATAOUT分别与89S52的 T0、T1 连接。并通过89S52控制TDA5051的PD 引脚实现节能模式控制。设计电路如图3。
（3）设备控制
89S52的P1口接8位拨码开关进行地址设定，P0口完成设备控制，P2口连接设备状态位以进行状态反馈。如图2。
为保证TDA5051的有效传输距离，避免峰值电压及大干扰，采用的光耦器件（OPTOIS01）来实现TDA5051的过零点传输。在过零点中断（INT1），此时89S52通过TDA5051发送和接收数据。
由于家居设备种类多，控制功能要求不尽相同，所以不可能使用一个单一的控制模块。根据一些典型的家居设备，应分门别类设计相关控制部分。对于一些简单的开关类设备，可以使用继电器来实现；对于需要连续可调的设备，需要采用一些相关的电子开关芯片来实现。
在目前的现代化家居设备中，很多都提供了红外遥控的功能。对于这些设备，最好的解决方法莫过于由中央控制器存储所有设备的红外编码，在房间内放置一个万能的红外发射器来实现所有设备的控制。这样不但减少电力线节点，还简化了电路设计。
 
4． 电力线接口软件实现
电力线接口由89S52和TDA5051及其外围电路构成（见图2）。TDA5051及其外围电路负责电力线信号的收发。89S52完成家居网络协议的通信及设备的控制。接口程序均在89S52中运行。
 4．1电力线接口数据协议
软件的主要工作是进行各种状态的检测以及数据的发送和接收，为了确保对家居设备的正确操作，数据发送按家居网络协议（Home Network Protocol）进行编码并加入校验码。除家居中控的电力线通讯接口外，其他节点仅在通电启动时主动发送状态报告，从而避免载波冲突。
接口根据信息中的地址及校验码来判断信息是否该接受，收到指令后根据指令码判断是状态询问还是控制指令。完成控制后，均向中控模块报告执行后的状态。家庭网络协议数据格式为图4。
 

TDA5051与89S52的串行接口采用异步通信方式，波特率设为1200bits/s，数据位为8位，停止位为1位，无奇偶校验，无数据流控制。
每个数据帧长为12字节。其中： 同步字节（010101012）。地址段首字节作为类码，第二字节作为地址码。这样，理论上可在家居网中存在216个节点。其余部分均为单字节段。
命令类别: C1—I/O Control；C2—I/O Control Ack；C3—Read Status；C0—Status Ack；CE—No Ack。
命令方式：5=Write,E=LOCK,D=XOR ,C=Read,A=Setb Bit,B=Clr Bit
 4．2 电力线接口程序设计
（1）设备电力线节点
接口程序均使用51汇编指令完成。对于设备节点，程序启动后初始化中断及串口。然后等待电压过零引发中断1。对于初次启动，节点在进入中断后，直接发送状态报告（C0）。否则，根据发送标志判断是发送还是接收状态。如是发送状态，则将数据帧发送至电力线。如是接收状态，则开始读取数据，并判断是否为同步字节，是否为发送给本节点数据，校验码正确与否。再根据命令类别完成相应操作。
对于命令类为C1，节点将用帧数据通过P0口控制家居设备，然后根据控制结果生成回应数据包并以C2类发回。对于命令类C3，节点通过P2口获得设备状态，生成回应数据包以C0类发回。软件流程图略。
（2）家居中控电力线节点
对于家居中控的电力线接口，主要完成信息的转发而不需要控制功能。其控制部分取消，增加了一个通过RxD/TxD与家居中控RS232通讯的功能。其软件主要实现从RS232接收命令信号，经TDA5051从电力线转发；经TDA5051收到的电力线信息从TxD/RxD上传到家居中控。该RS232的通讯速率为56Kbits/s。与TDA5051串口仍通过T0、T1完成，波特率设为1200bits/s。
在该部分程序中，有三个主要程序流。分别是：电力线收发部分，完成电力线信息的收发；电力线接口与中控的RS232通讯，完成中控与各节点控制及状态反馈信息的传输，并对每个传输信息设置定时信息；超时处理部分，完成超时控制信息的重传及错误处理。软件流程图略。
为避免该节点信息冲突与阻塞，必须在一定时间内（2s）处理完中控的一个控制流程后（发送指令以及接收响应），才允许接收下一个控制指令。在一定时间内无回复，向中控发送CE类响应帧报警。电力线通信仍然使用电压过零引发中断1，与中控通信使用标准串口通信，定时使用定时器0中断。
通过标志1、标志2锁定收发过程。标志1控制节点与电力线下行通信。标志2控制节点与中控的RS232上行通信。Y：接收；N：发送；E：无效状态。
5． 总结
本系统创新之处为，以电力线作为家居网络总线并实现家居设备集中控制及无节点限制的扩展能力。通过使用TDA5051来实现电力线接口，在各节点将89S52与TDA5051结合的方式实现各控制模块。在家居网的环境中，实现了对电灯的开关及亮度的调节；并结合红外遥控，实现对家用遥控设备如电视、空调、音响等的控制，取得了良好的控制效果。同时，通过对日常情景的设置，在电力线上方便的实现了相关设备联动控制信息的传递，完成互操作。在使用电力线传输的时候，传输距离与电线材质及家居电源环境的好坏有很大的关系[3]。尤其是将国外的电力线芯片用在我国的电力线传输上，如要达到更理想更稳定的状态，还有待于更大规模的开发和应用[4]。

参考文献：
[1] 叶玮琼，嵌入式WEB Server智能家居中央控制器实现方法研究，广东工业大学硕士学位论文，2005
[2] TDA5051 Product specification, Philips Semiconductors, 1998 Jan
[3] Liu D. Wide Band AC Power Line Characterization. IEEE Trans on Consumer Electronics,1999, 45(4):1087～1097
[4] 胡辉  陈耀和，一种新的数据通讯方式-----电力线数据通讯，微计算机信息，2003年第三期:79~80

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