1 引言

電力線載波通信使用電力線作為信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃瓿晒こ躺系摹白詈笠还锝尤搿钡耐ㄓ嵭枰Ｓ捎陔娏€載波使用大部分電器所需的電力供應(yīng)線路接入，所以不需要提供另外的專用通訊線路，在用戶使用便捷性、安裝施工和節(jié)省線路成本上具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

本文針對(duì)這個(gè)問題提出了一種基于電力線載波和mesh自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)的樓宇自控系統(tǒng)，由于電力線載波技術(shù)使用已有的電力線作為信息傳輸?shù)拿浇椋@樣不僅可以省卻用戶初期安裝系統(tǒng)的布線麻煩，而且后期維護(hù)也會(huì)比較容易，具有比較好的前景。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

2.1 系統(tǒng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于電力線載波的通訊系統(tǒng)在通訊物理線路上使用電力線，由于電力線的特點(diǎn)，網(wǎng)路拓?fù)涫堑湫偷目偩€型網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)于跟受控設(shè)備直接連接的終端器將扮演從機(jī)的角色，用戶終端通過電力線與其他終端形成總線型局域網(wǎng)，另外一端就是各種檢測(cè)和控制量的連接。在每個(gè)樓宇或者小范圍內(nèi)安裝一個(gè)集中控制器，然后配備pc或者電腦終端，這樣樓宇管理人員就可以集中收集信息或者進(jìn)行管理。

2.2 系統(tǒng)軟硬件與網(wǎng)絡(luò)棧模型

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)際是個(gè)典型的計(jì)算機(jī)通訊系統(tǒng)。本文的設(shè)計(jì)任務(wù)主要有基于電力線通訊技術(shù)受控節(jié)點(diǎn)控制器，電力線通訊網(wǎng)絡(luò)中繼，以及與pc接口的電力線網(wǎng)關(guān)。涉及軟硬件的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本系統(tǒng)采用參照osi參考模型并根據(jù)實(shí)際情況做修改和裁減的辦法來設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)堆棧，網(wǎng)絡(luò)棧模型圖2所示。

物理層使用民用的220v電力線線路。數(shù)據(jù)鏈路層處理信道的爭(zhēng)用和沖突檢測(cè)。mac，鑒于電力線載波的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)鏈路層加入類似無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)信息傳送機(jī)制，跟網(wǎng)絡(luò)層配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，即mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這樣設(shè)計(jì)有利于節(jié)點(diǎn)通訊終端的調(diào)試和安裝，可以做到即插即用。由于樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊量不大，基于電力線的組網(wǎng)技術(shù)也在一定程度上簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，所以不需要?shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂茩z驗(yàn)可以在應(yīng)用層根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)。這樣比較有利于降低系統(tǒng)復(fù)雜度，可靠性也相應(yīng)的增加。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及三種類型的硬件，電力線通訊控制器、電力線路中繼和以太網(wǎng)的橋接器。其中電力線通訊控制器（plc控制器）和中繼器硬件結(jié)構(gòu)一致，不同的是軟件功能支持。以太網(wǎng)橋接器比plc控制器多了以太網(wǎng)擴(kuò)展，但是少了跟受控設(shè)備的通訊部分電路。圖3為系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

如圖3中描述，在本系統(tǒng)中mi200e調(diào)制解調(diào)和stm32以及stm32 硬件io的控制輸出構(gòu)成plc控制器；由mi200e和stm32mcu構(gòu)成中繼器，在信號(hào)衰減后用以延續(xù)網(wǎng)絡(luò)；由mi200e調(diào)制解調(diào)電路，stm32mcu以及enc28j60構(gòu)成電力線到ethernet/internet橋接器，構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)。

3.2 通訊終端設(shè)計(jì)

通訊終端硬件結(jié)構(gòu)如同4所示 。通訊終端使用mi200e電力線路載波專用芯片與arm cortex單片機(jī)stm32 f103c8t6接口，這樣系統(tǒng)協(xié)議便于針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行修改和升級(jí)。stm32 f103c8t6為32位arm cortex-m3單片機(jī)，具有比較高的運(yùn)算能力，主頻達(dá)72mhz，同時(shí)提供豐富的硬件接口。

系統(tǒng)中同時(shí)具有io、ad輸入輸出與外部受控設(shè)備接口，同時(shí)用spi擴(kuò)展以太網(wǎng)芯片方便作為到以太網(wǎng)的橋接器使用，同時(shí)，系統(tǒng)具有rs232接口輸出，可以與pc相連，或作為調(diào)試或擴(kuò)展為485等橋接。

3.3 mi200e發(fā)送耦合電路

發(fā)送耦合電路的功能就是將單片機(jī)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制，再將功率放大之后耦合到220v的高壓電路上面，如同5所示。

由于mi200e內(nèi)部自帶調(diào)制、濾波、數(shù)字功放電路，所以外圍電路簡(jiǎn)潔。mi200e的功率放大輸出pa、pb輸出后通過l6、c9構(gòu)成的lc無源帶通濾波器再濾波處理后送入信號(hào)耦合變壓器，再通過耦合變壓器到220v電力線路的通路傳送。這里重點(diǎn)說明下耦合變壓器部分電路，由于220v屬于人身危險(xiǎn)強(qiáng)電，而mi200e的輸出為10vpp的弱電信號(hào)，因此耦合變壓器在這里有兩個(gè)角色，一是其初級(jí)和安規(guī)電容c8構(gòu)成高通濾波器，阻斷了50hz交流工頻信號(hào)，保證了芯片電路的安全，另外一個(gè)角色是次級(jí)跟外圍電路同時(shí)構(gòu)成帶通濾波器，有助于調(diào)制信號(hào)的選擇。另外圖中電路rxtx_n控制兩個(gè)mos管構(gòu)成的開關(guān)電路，這部分電路是在mi200e發(fā)送的時(shí)候幫助改善信號(hào)的波形。耦合電路中d1、d2兩個(gè)tvs管，將信號(hào)幅度限制在一定范圍，對(duì)后級(jí)電路有保護(hù)作用。r7幫助安規(guī)電容在斷電的時(shí)候放電，以保證安全。th1為壓敏電阻，可以在兩端信號(hào)沖擊很大的時(shí)候幫助吸收電流，以保護(hù)后級(jí)的小信號(hào)電路不被220v端的沖擊電壓損毀掉。

3.4 mi200e接收耦合電路

參見圖6所示，接收電路負(fù)責(zé)將線路上的調(diào)制信號(hào)提取出來，然后送入mi200e的ra+，ra-兩端進(jìn)行解調(diào)。由于信號(hào)耦合部分跟發(fā)送部分共用，只需要加上簡(jiǎn)單的lc帶通濾波就可以送入mi200e了。由信號(hào)耦合變壓器送來信號(hào)經(jīng)過c13、l9構(gòu)成的帶通濾波器后直接送入mi200e 23和24腳進(jìn)入芯片解調(diào)。

3.5 spi擴(kuò)展以太網(wǎng)電路

系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)通訊選擇microchip的spi接口的外擴(kuò)以太網(wǎng)方案，enc28j60內(nèi)置10mbps以太網(wǎng)物理層器件（phy）及媒體訪問控制器（mac），可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息數(shù)據(jù)包，具有可編程過濾功能。特殊的過濾器，包括microchip的可編程模式匹配過濾器，可自動(dòng)評(píng)價(jià)、接收或拒收magicpacket，單播（unicast）、多播（multicast）或廣播（broadcast）信息包，以減輕主控單片機(jī)的處理負(fù)荷。可編程8kb雙端口sram緩沖器，以高效的方式進(jìn)行信息包的存儲(chǔ)、檢索和修改，以減輕主控單片機(jī)的內(nèi)存負(fù)荷。該緩沖存儲(chǔ)器提供了靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機(jī)制。enc28j60跟stm32的spi2連接，電路如圖7所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 mi200e數(shù)據(jù)包收發(fā)

mi200e的數(shù)據(jù)包有基本的格式，數(shù)據(jù)包首先是兩個(gè)字節(jié)的0xff前導(dǎo)碼，后面是0x1a和包長(zhǎng)度信息，接著是兩字節(jié)倍數(shù)的數(shù)據(jù)區(qū)，最后面是兩個(gè)字節(jié)的crc16校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼對(duì)0x1a以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，括包信息和具體的包數(shù)據(jù)內(nèi)容（見圖8）。

mi200e每隔10ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，為了能穩(wěn)定的建立數(shù)據(jù)通訊，byte 1～byte4固定使用較低的速率200bps進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。起始的 4 個(gè) byte 中包含引導(dǎo)碼、后續(xù)發(fā)送采用的波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。在發(fā)送完這 4個(gè)

byte 后，可通過重新配置模式寄存器改變發(fā)送波特率。在使用 1600bps 的速率情況下，每隔 10ms，將發(fā)送出 1個(gè)word的數(shù)據(jù)。 由于 byte 4 中 pkg_length 占用了 6 個(gè) bits，因此每一個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不應(yīng)超過 64個(gè)word。數(shù)據(jù)包發(fā)送流程如圖9所示。

mi200e處于接收狀態(tài)時(shí)，需要反復(fù)查詢狀態(tài)寄存器（0x82）的ri、carr、frame 標(biāo)志。當(dāng)carr、frame被硬件置‘1’后，先讀取接收模式寄存器（0x83），取出package信息（波特率與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度），將接收到的波特率信息寫入模式寄存器（使得收發(fā)兩端的波特率一致），然后按照取得的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行接收，每讀取一個(gè)word的數(shù)據(jù)前都需要查詢r(jià)i、carr、frame 標(biāo)志，只有在 ri、carr、frame都被硬件置‘1’的情況下，再讀取mi200e中的接收數(shù)據(jù)。在讀取完所有的數(shù)據(jù)后，查詢狀態(tài)寄存器（0x82）中的 crc標(biāo)志，判斷是否已正確接收到了數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包接收流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)包接收流程圖

4.2 enc28j60網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用enc28j60以太網(wǎng)控制芯片，需要編寫網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，以實(shí)現(xiàn)低層網(wǎng)絡(luò)接口及硬件函數(shù)驅(qū)動(dòng)。此驅(qū)動(dòng)主要完成enc28j60網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化過程，完成在stm32控制器中加載enc28j60網(wǎng)卡芯片的配置信息，并進(jìn)行enc28j60的自檢功能，如圖11所示。

圖11 enc28j60網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)流程圖

4.3 數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)

mi200e提供了基本的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和載波偵聽功能，這個(gè)特性可以模仿ieee802.3mac的設(shè)計(jì)。這里在mi200e的數(shù)據(jù)包中加上節(jié)點(diǎn)的mac地址，同時(shí)由于是針對(duì)控制應(yīng)用，在mac地址后面安排數(shù)據(jù)內(nèi)容的功能描述碼，用于快速獲取當(dāng)前通訊，便于區(qū)分廣播數(shù)據(jù)，無需響應(yīng)的指令數(shù)據(jù)和需要響應(yīng)的指令數(shù)據(jù)等。描述碼后面是具體數(shù)據(jù)內(nèi)容，由于電力線的廣泛性和樓宇控制安全的需要，數(shù)據(jù)內(nèi)容可以使用aes128等加密算法加密，同時(shí)可以對(duì)內(nèi)容再進(jìn)行crc32校驗(yàn)，以進(jìn)一步提供可靠性和安全性。鏈路層數(shù)據(jù)幀格式如圖12所示。鏈路層數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計(jì)提供了區(qū)分節(jié)點(diǎn)的能力，配合mi200e的幀檢測(cè)機(jī)制，可以模仿以太網(wǎng)的總線有效解決線路競(jìng)爭(zhēng)問題。鏈路層數(shù)據(jù)帖格式。

4.4 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)（mesh）

由于電力線路的固有特性，以至于電力線路的通訊跟無線網(wǎng)絡(luò)的信道特性非常相似，信號(hào)經(jīng)過一段線路之后必然會(huì)有比較大的損失，所以載波信號(hào)在經(jīng)過一段距離后就無法接收了，信號(hào)的覆蓋是一個(gè)范圍，這個(gè)跟無線網(wǎng)絡(luò)入wifi，zigbee都是比較相似的，同時(shí)由于電力線路阻抗的時(shí)變性，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)并不是很穩(wěn)定，可能一會(huì)可以通訊，一會(huì)就找不到對(duì)方節(jié)點(diǎn)了，這個(gè)跟無線信號(hào)的波動(dòng)性也比較類似，所以考慮在網(wǎng)絡(luò)層加入mesh機(jī)制的路由特性，可以大大提高通訊的覆蓋范圍，可以用來組建比較大的網(wǎng)絡(luò)，滿足當(dāng)前社會(huì)大型樓宇的應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)際硬件制作和編寫程序測(cè)試，本系統(tǒng)可擴(kuò)展性好，基于mi200e的載波偵聽機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)有較快的響應(yīng)速度，比modbus的輪詢機(jī)制效率高，由于采用mesh技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)安裝和配置比較容易，覆蓋范圍可以擴(kuò)展到幾百米。另外有橋接器的應(yīng)用，可以比較方便的連接到互聯(lián)網(wǎng)。