引言

　　智能家居是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、管理、服務于一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。

　　目前，智能家居控制技術主要分為有線方式和無線方式兩種。有線方式又可分為RS-485現場總線以及電力線等。RS-485和現場總線技術存在布線麻煩、可擴展性差等問題；無線方式雖然無需綜合布線，但組網較復雜，且容易受干擾。電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)技術是指利用配電網中的電力線作為傳輸媒介，實現數據傳遞和信息交換的一種技術。將電力線載波通信技術應用于智能家居控制系統中，不僅減小了布線麻煩，而且符合家庭網絡通信的特點。

　　1電力線載波通信及智能家居控制系統

　　1. 1電力線載波通信技術

　　電力線載波通信是利用專用的調制解調芯片對數據進行調制，并加載到工頻50 Hz的電力線上發送出去，然后再接收、解調、恢復為數據的過程。

　　常用的傳統低壓電力線載波通信一般采用頻帶傳輸，利用載波調制將攜帶信息的數字信號的頻譜搬移到較高的載波頻率上。基本的調制方式分為幅值鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。隨著電網結構的日趨復雜及人們對通信質量要求的不斷提高，傳統電力線載波通信方法已不能滿足需求。目前，電力線載波通信的常用技術有擴頻通信技術、碼分多址復用技術和正交頻分復用技術。擴頻技術又可以分為直序列擴頻(DSSS)、跳頻擴頻(FH)、跳時擴頻(TH)和線性調頻(Chirp)等，有些采用抗干擾能力更強的雙頻窄帶技術來提高通信的可靠性。

　　1. 2智能家居控制系統

　　智能家居控制系統控制著家庭中各種設備的運行，如家用電器設備、照明系統等的開啟、關閉及工作狀態的調節，進行安防報警，以在網絡上傳輸信息(主要為控制信息以及一些物理量的參數)。由此可見，對智能家居控制網絡實時性要求不高，但對信息傳輸的可靠性要求較高。這是因為它傳輸的信息是各種設備的控制信息，錯誤信息不僅可能導致設備的非正常工作，而且也會導致設備的損壞。電力線載波通信技術具有傳輸速率高、抗干擾能力強等特點，可滿足智能家居控制系統的要求。

　　智能家居控制系統整體構架，主要包括家庭中心控制器、家庭網關和控制器。家庭控制網絡是以低壓電力線為物理通信介質組建的智能家居控制網絡，具有家電控制、照明控制、安防報警等功能。家庭中心控制器(計算機)作為整個智能家居系統的核心，把外部網絡與家庭控制網絡有機地連接，實現家庭控制網絡與外部網絡的信息互通。家庭網關負責接收處理中心控制器下發的命令和遙控器的無線信號，并上傳中心控制器要求的狀態信息；同時，還要負責遠程控制命令的驗證。控制器作為控制網絡的命令執行部分，完成家庭網關下發命令的操作。

　　2系統硬件設計

　　系統硬件設計主要包括家庭網關和控制器的設計。電力線載波通信模塊是網關和控制器的重要組成部分。下面主要介紹家庭網關、控制器以及電力線載波通信模塊的設計。

　　2. 1家庭網關設計

　　家庭網關主要由主控MCU、電平轉換電路、無線收發模塊以及電力線載波通信模塊組成。家庭網關的主控MCU采用AT89S52單片機，負責數據的處理與轉發。家庭網關與中心控制器之間的通信通過串口通信實現。利用MAX232芯片，完成RS-232電平與TTL電平的轉換，將數據送入單片機進行處理。

　　采用RF1100射頻收發模塊，實現網關的遙控功能。電力線載波通信模塊與主控MCU通過SPI接口進行通信，完成數據交換。

　　2. 2控制器設計

　　控制器主要由主控MCU、輸入模塊、輸出模塊和電力線載波通信模塊組成，。輸入模塊包括傳感器模塊、按鍵模塊等，提供單片機外部信號的輸入。單片機利用各種輸出模塊實現對外部設備的控制。MCU再將相應的指令通過電力線載波通信模塊轉發到低壓220 V電力線上。

　　2. 3電力線載波通信模塊

　　本文所述的電力線載波通信模塊是采用MI200E芯片設計的。MI200E是一款高集成度的電力線載波芯片，采用先進的擴頻通信原理，同時具有更少的外圍器件和高達2 kb/s的通信速率。MI200E專門針對低壓電力線載波信道進行優化設計，內部高度集成了低噪聲放大器、數字功率放大器、DSP運算模塊、全數字鎖相環、擴頻調制解調器等部件，外部采用標準的SPI接口，并提供有效幀提示信號，采用SOP24封裝，方便與MCU接口連接。

　　在電力線載波模塊中，MI200E的外圍電路非常簡單。MI200E芯片和低壓電力線接口涉及6個引腳，分別為PA、PB、RA+、RA-、VAC+、VAC-。調制信號輸出引腳PA、PB，經變壓器耦合至低壓電力線。

　　在T1的一次側與二次側都需加上一個TVS保護管，避免在線路上有高壓脈沖沖擊時損壞后端器件。MI200E的外圍發送濾波器由一級簡單的LC帶通濾波器組成。對應不同的載波頻率，C29、L4、C30、L12等器件的參數需要調整。接收引腳RA+、RA-間連接有LC諧振電路。MI200E可以有57.6 kHz、76.8 kHz和115.2 kHz 3種不同的載波頻率，選用不同參數的器件構成諧振電路，進而從載波信號中獲取信息。由于芯片內部集成了功率放大器，因此，外圍電路不再需要相應電路，并且接收和發送共用耦合電路，大大減少了元器件的個數，降低了外圍電路的復雜性。電力線檢測引腳VAC+、VAC-用于芯片內部檢測電力線過零及負載特性。

　　3系統軟件設計

　　系統主要軟件設計包括遠程控制、家庭網關和控制器設計。

　　3. 1遠程控制軟件設計

　　本文利用VisualBasic 6. 0軟件的WinSocket控件實現家庭控制網絡的遠程控制功能。Win-Socket控件提供了訪問TCP和UDP網絡服務的方便途徑。用戶編寫網絡程序時，只需通過設置控件的屬性并調用其方法，就可連接到遠程計算機上，并實現網絡信息交換[2]。

　　本文采用TCP/IP協議實現遠程計算機連接，Winsock控件具體設置如下：TCP協議的客戶端必須設置服務器的名稱(RemoteHost屬性)、服務器正監聽的端口(RemotePort)，然后調用Connect方法。服務器程序必須設置該Socket的監聽端口(LocalPort)，然后調用Listen方法；當客戶要求建立一個連接時，服務器方產生ConnectionRequest事件，如果服務器想完成連接，則調用Accept方法認可。一旦連接成功，雙方計算機都能利用Send Data方法發送。當接收到數據時，發生DataArrival事件，可以在該事件中調用GetData方法接收數據。

　　3. 2家庭網關軟件設計

　　家庭網關負責處理和轉發家庭中心控制器通過串口下發的數據，以及轉發下位控制器上傳的數據；同時，還要處理無線模塊發送的數據。

　　3. 3控制器軟件設計

　　控制器接收并處理網關下發的數據，執行相應的命令。

　　3. 4電力線載波通信數據接收與發送

　　(1)數據接收。為了保證數據接收的實時性，數據接收采用中斷方式進行。一次接收2 Byte，每次接收都要查詢狀態寄存器RI位，數據接收完后，查詢CRC校驗標志位CRC_Flag。CRC_Flag為1，接收正確；CRC_Flag為0，接收錯誤。

　　(2)數據發送。MI200E每隔10 ms進行一次數據發送，前4 Byte固定使用200 b/s進行發送。在發送完前4 Byte數據后，可改變發送波特率，一次發送2 Byte數據，每次發送數據前都需要對狀態寄存器的最高位(TI)進行查詢，只有在TI為1時，才能將數據配置到MI200E。

　　4結語

　　本文采用MI200E低壓電力線載波通信接口芯片，設計并實現了基于電力線載波通信的智能家居控制系統，并從硬件和軟件兩個方面詳細闡述了系統的整體實現方案。該系統具有免布線、穩定可靠、便于擴展、即插即用等特點，有廣泛的應用前景。