<strong>摘 要: 在家庭自動化研究中,利用電力載波進行信息傳送正成為研究的熱點。基于ST7536開發了一種面向短消息、短命令的網絡家電控制的電力載波通訊試驗平臺,并進行了大量的試驗研究。其結果表明,電力載波模塊能夠較好地構建家庭通訊網絡,是一種性能價格比較高的控制方式。
關鍵詞: 網絡家電 電力載波 ST7536 通訊協議 信號衰減與阻抗匹配
電力載波(PowerLine CarrierWave,簡稱PLCW)通信是利用電力線進行信息傳送的一種通信方式[1]。電力載波通信在遠程三表(水表、電表、煤氣表)信息的自動采集和傳輸中得到廣泛的應用,在智能小區建設中備受青睞。隨著信息技術的發展,智能化網絡家電逐漸成為研究熱點[4],而將電力載波應用于智能化網絡家電控制則剛剛開始。國內目前尚未有應用于智能化網絡家電控制的電力載波通訊產品的研究報道;而國外已經有穩定的構建智能化網絡家電的電力載波通訊產品[3],但其價格昂貴,中國普通家庭難以接收,而且電壓是110V,也不適合中國國情。因此,有必要對電力載波技術進行深入探索,研究開發出適合中國國情、成本低廉而可靠的電力載波通訊產品。
將電力載波應用于智能化網絡家電控制中有許多優點:(1)可以利用現有的電力線組網;(2)因為不必重新布網,所以可以節約財力、物力和人力;(3)穩定可靠,易于實現;(4)目前市場上已經有多種電力載波芯片,可以擇優選用。
但是將電力載波應用到智能化網絡家電控制中還存在許多技術難點:(1)如何設計基于電力載波控制的智能化家電網絡的體系結構;(2)如何制定電力載波通訊協議,使得它們之間能夠相互可靠地傳遞信息;(3)如何克服電力載波固有的信號衰減、阻抗失配以及等幅振蕩干擾等問題[2];(4)如何設計電力線接口(PowerLine Interface,簡稱PLI)。本文將從上述問題出發,闡述智能化網絡家電控制中電力載波模塊的設計與實現過程。
1 電力載波通訊網絡體系結構
電力載波通訊是利用電力線進行信息傳送的通訊方式,因此利用電力線可以組建家庭環境的通訊網絡。基于電力載波組建的電力線通訊網絡如圖1所示。電力載波通訊網絡一般采用主從控制方式,圖中上層有一個主控CPU,下層有若干個從CPU。主控CPU向各個從CPU發出指令協調工作,同一時刻只能有一個CPU使用電力線資源。主控CPU與網關或者家庭服務器相聯,從CPU控制智能電器工作。
2 電力載波模塊設計
在目前的電力載波通訊產品中,主要使用兩種方式:窄帶通訊方式和擴頻通訊方式。窄帶通訊技術價格低廉并且較為容易實現;擴頻通訊技術在抗干擾性能上優于窄帶通訊,但技術復雜。使用ST7536作為電力載波芯片,采用窄帶通訊方式,是目前廣泛應用于自動抄表系統中的一項成熟技術。考慮到家庭網絡通訊距離短、消息命令少等特點,因此本文選擇ST7536芯片設計電力載波通訊模塊。
2.1 模塊結構
電力載波模塊結構示意圖如圖2所示。它以ST7536為核心,選用89C52/C51系列單片機為控制器,具有RS232接口和電力線接口。
電力載波模塊的工作過程如下:
模塊經常處于接收狀態(Rx/Tx-=1),時刻監聽電力線。當電力線上有信號時,開始接收信息幀,并同時校驗目標地址。如果目標地址不是本機地址,則拋棄該幀。如果目標地址與本機地址相同,則分解該信息幀,檢出有用信息,然后通過RS232接口發往上位機或者應用家電。
如果上位機發出控制指令或者家電產生回饋信息,則通過RS232接口產生中斷進入模塊。由模塊將控制指令或回饋信息組合成幀,然后模塊轉入發送模式(Rx/Tx-=0),通過PLI將信息幀發送到電力線上。信息幀發送完畢,模塊轉入接收模式(Rx/Tx-=1)。
2.2 技術難點
信號衰減、阻抗失配、脈沖噪聲以及等幅振蕩波干擾等問題是影響電力線傳輸信號的普遍問題。除此以外,電力線接口的變壓器設計也是設計難點。
在電力線上存在各種各樣的干擾,主要包括電源線中的高頻干擾、感性負載產生的瞬變噪聲、晶閘管通斷時產生的干擾、電網電壓的短時下降干擾和拉閘過程形成的高頻干擾。對于以上各種問題,解決的方法主要是屏蔽、濾波、接地,在線路板上布線時應注意減小分布電感和分布電容。衰減和阻抗匹配實際上是一個問題的兩個方面。阻抗匹配不好,信號衰減得就快。阻抗匹配的核心問題是對電線阻抗進行檢測,檢測到的信號引入到ST7536構成閉環,使阻抗匹配,增大輸出功率。另外,在電力載波模塊的設計中,應極力避免在同一線路上兩個模塊同時處于發送狀態,此時兩模塊互為負載,模塊若長時間工作,將有可能損壞。解決問題的辦法是:建立主從式網絡,由主機對各從機輪詢,從機只有得到主機控制指令后才可以往電力線上發送信號;而發送模塊一旦發現線路上有其它模塊正在發送,則本模塊立即轉為接收狀態。
PLI的變壓器設計是另一個設計難點。圖3所示是PLI的結構示意圖。它由低通濾波、前置放大、變壓器等組成,目的是把ST7536同電力線隔離,在電力線上加載/析取信號,過濾電力線上的50/60Hz信號以及發送信號的二次諧波信號。
變壓器的鐵芯是TOKO T1002N,具有兩個主繞組和一個副繞組,匝數比為4：1：1,其電路結構見圖4。變壓器的典型值為:L1t：9.4μH;L4t：140μH。
變壓器的主繞組作用是選通濾波,利用電容C10/C11將諧振頻率設定在發送頻率。電容C10/C11與主繞組1t/4t并聯。這兩個繞組等效值計算如下:
所以電容C10與C11并聯的等效電容(Ceq=Cp=C10//C11)為:
因為ST7536是基于窄帶通訊方式的,所以濾波器的通帶很窄,因而對于每個發送頻率Cp具有不同的值。
在印刷電路板上電容應當靠近變壓器。為了獲得最佳的濾波性能,電容C10/C11采用線性度較好的種類。
電容C12用來過濾電力線上的50/60Hz信號,它將低頻信號過濾掉而讓高頻信號得以通過。C12是X2類電容。X2類電容具有短路保護功能。這在電力載波系統中是不可缺少的。因為假如萬一電容短路,C12電容就失去了過濾50/60Hz信號的能力,則PLI就會燒壞,危險時會對靠近ST7536的人員造成傷害。
為了避免毛刺對PLI破壞,在PLI中使用了TRL1雙向穩壓管。它的穩壓值為6.8V。如果出現了6.8V及以上電壓,TRL1就會短接到地,從而保護PLI的其余部件不會被燒壞。
2.3 通訊協議
為了使模塊之間能夠相互通訊,給ST7536通訊定制了一個簡單而有效的協議。使用這個協議很容易糾錯和檢查誤碼率,而且此協議很容易修改以滿足各種特殊的需求。
在電力線網絡上,ST7536發送的是信息幀。每一信息幀由前導字、系統地址、目標地址、控制命令塊和數據塊五部分組成。前導字和系統地址各占兩個字節,目標地址、控制命令塊和數據塊各占三個字節。
前導字用來使發送ST7536和接收ST7536同步,它由兩個8位的“10101010”字節序列組成。接收模塊用它來調整接收時鐘。因為ST7536發送出的前3位有可能發送時產生錯誤,所以前導字中不含有效數據,可以克服開始數據傳輸時的不可靠數據。
系統地址用來區分電力載波網絡中的不同模塊。系統地址只有8位,為了避免發生錯誤,系統地址發送了兩次,如圖5所示。幀的目標地址、控制命令和數據必須是非常可靠的,所以對它們要進行糾錯。為了糾錯,每個數據要發送三次。例如,目標地址只有8位,它被發送了三次,分別在目標地址1、目標地址2和目標地址3中。控制命令和數據也是一樣。因此目標地址(1、2、3)中應該是相同的內容。糾錯的方法就是利用舉手表決算法從這三個字節中提取出正確的信息。糾錯的過程如下:首先對目標地址1、目標地址2和目標地址3的第0位進行比較,如果有至少兩個字節中的第0位為0,則目標地址的第0位為0,否則就為1。然后依次比較第1位、第2位至第7位,這樣可以確定目標地址的所有位。
同樣的方法也用來對控制命令字節和數據字節糾錯。
2.4軟件
根據通訊協議,開發出ST7536電力載波模塊的軟件。ST7536經常處于接收狀態。當檢測到一定時間(設為500ms)沒有檢測到有效信號,ST7536就轉入發送模式,如果有數據發送就發送,發送完畢后轉入接收模式;如果沒有數據發送,則直接轉入接收模式。
軟件采用了緩沖區交換技術,如圖6所示。該軟件中為串口通訊建了一個輸入緩沖區和輸出緩沖區,為電力載波通信建了一個輸入緩沖區和輸出緩沖區。
首先檢測電力線上是否有有效數據,如果有就將其放到電力載波接收緩沖區;否則就開始輪詢是否有數據要通過串口或者電力載波發送,通過串口過來的數據通過中斷進入串口接收緩沖區。輪詢時,當串口接收緩沖區中有數據時,將其經協議處理機處理后放到電力載波發送緩沖區等待發送;同樣的方式將電力載波接收緩沖區的數據放到串口發送緩沖區。最后,軟件依據電力載波發送緩沖區或串口發送緩沖區中是否有數據而決定是否采取相應的發送動作。
3 實驗和分析
為了驗證電力載波通訊模塊的可用性以及智能網絡家電的可行性,我們開發了網絡洗衣機和智能電燈作為控制對象,以家用PC作為HomeServer,其物理示意圖如圖7所示。
實驗時,操作者通過Internet或者PSTN撥號連接到HomeServer上,發出控制指令或者請求給HomeServer,HomeServer通過RS232將控制指令送給PLCW模塊,PLCW將控制信號調制加到電力線上,與家電連接的PLCW接收到信號并解調,然后通過RS232將指令送給網絡洗衣機和智能電燈。網絡洗衣機和智能電燈可以將控制指令執行結果沿相反路徑反饋給操作者。
為了區分網絡電器,事先給網絡電器編號,即分配地址。例如,網絡洗衣機的地址為1,智能電燈的地址分別為2和3。操作員發出的控制指令中必須包含控制對象地址。同時為了控制方便,定義組地址,如255代表所有的電燈,即當控制對象地址為255時,所有的智能電燈都會接收指令并執行。
實驗結果表明,在100m范圍以內,基于ST7536的PLCW通訊模塊可以正確地收發信息,基本上沒有誤碼出現。當控制指令較短而且發出指令的頻率不高時,PLCW通訊模塊基本上可以實時響應。但當控制指令較長而且發出指令較為頻繁時,PLCW通訊模塊響應較慢。這是因為ST7536在電力線上的波特率為600bps和1200bps兩種可選。該模塊目前的數據通訊速率為600bps。而且因為定制的協議中每幀中只有兩個字節(控制命令和數據)為實際需要的字節,因而每秒鐘傳送的有效信息約為11.6字節。所以它適用于傳送短消息(命令)、數據通訊量低以及實時性要求不高的情況。
實驗證明,應用電力載波通訊技術,可以有效地控制家庭電器,省去家庭重新布線的麻煩。因此,電力載波模塊可以作為基于短消息短命令控制機制的家庭電器和家用服務機器人的控制方式,能夠較好地用于構建家庭通訊網絡,是一種性能價格比較高的控制方式。
參考文獻
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2 謝 飛,熊立翔,楊士中.低壓電力網載波通信信號衰減特性的研究.電子技術應用，1998;24(1):36～37
3 http：//www.x10.com
4 裴廷睿,李偉華,王藝等.網絡家電互聯技術現狀及其發展趨勢.電子展望與決策，2000(3):27～31