基于電力線載波通訊技術的家電遠程控制系統的設計

摘 要：研究雙音多頻收發器MT8880和電力線載波通訊模塊PLC3K，設計一套基于PIC16F874單片機、現有的家庭電力線網絡和程控電話網絡的家電遠程智能控制系統，在實驗室環境下獲得了良好的效果，且網絡運行可靠、穩定。

關鍵詞：電力線載波技術；電話遠程控制；PIC單片機；雙音多頻

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-047-03

Design of Long-distance Intelligent Control System for Home-using Appliance Based

on Home-use Power Line Network and Program-Controlled Telephone Network

LI Xiaoguang，JIA Zhanling

(Henan Xuchang Electric Power Company，Xuchang，461000，China)

Abstract：This article studies the dual-tone multi-frequency transceiver MT8880 and power line carrier module PLC3K.It designs a long-distance intelligent control system for home-using appliance which is based on PIC16F874 MCU，existing home-use power line network and program-controlled telephone network.It has reliable and stable network.

Keywords：power line carrier technology；telephone long-distance control；PIC；dual-tone multi-frequency

智能家電遠程控制系統是一種利用網絡通訊技術、智能控制技術、電子技術等多種技術為一體的現代家電控制系統。智能家電遠程控制系統的出現可以減少人們對保姆的依賴，提高家用電器的使用靈活性，大大減少家用電器的使用對人們在時間上、空間上造成的束縛，從而提高人們的整體生活水平。總而言之，智能家電遠程控制是未來家電發展的必然趨勢。

1 系統的總體結構

(1) 電話智能遙控電路由PIC16F874單片機構成主控部分，進行主要的信息處理，接收外部操作指令形成各種控制信號，并發送給各電器控制子站；接口電路提供單片機與電話外線的接口。其中包括鈴流檢測、摘掛機控制、忙音檢測、雙音頻DTMF識別以及語音提示電路。

(2) 遠程通訊網絡的選擇

要實現智能家電的遠程控制，最關鍵的是通訊技術。如今，GSM，GPRS，CDMA，程控電話網，計算機網絡都可以實現遠距離的數據通訊。從網絡的覆蓋范圍，通訊產品的普及程度和移動性考慮，程控電話網絡具有諸多優點，技術成熟，通訊質量好、建設早、覆蓋面廣等。而且現在的GSM/CDMA也可以接入程控電話網，這樣智能家電的遠程控制既可以使用固定電話作為控制終端，還可以使用移動電話作為控制終端，人們可以隨時隨地使用手上的電話，對家電實現控制。雖然GPRS/計算機網絡具有通訊成本低的優點，但是考慮到目前其網絡覆蓋面還不夠廣、通訊終端成本太高等因素，本文選擇了程控電話網作為家電遠程控制的通訊網絡。

(3) 家庭控制網絡的選擇

現代家庭有多種家用電器，分布于一套房子的各個角落。要實現家電的遠程控制，必須建立一個小型的控制網絡來集中進行控制。為了避免重新布線和破壞已有的家庭裝修，選擇電力線將各個家用電器控制子站與控制中心連接，利用電力線載波通訊實現子站與控制中心的連接。

2 硬件電路的設計

2.1 PIC16F874主控單片機

這是一個高性能精簡指令集的CPU；只有35條單字指令；多達8 k×14 Word可重復多次的FLASH程序存儲器，多達368 B的數據存儲器(RAM)，256 B E2PROM數據存儲器；中斷源多達8個；8級深度硬件堆棧；具有上電復位；具有電源上升定時器和振蕩器；起振定時器；自帶RC振蕩器的開門狗定時器；工作電壓范圍寬2.0～5.5 V；功耗低：<2 mA 典型值@5 V，4 MHz。

2.2 電力線載波通信模塊

PLC3K是一款嵌入式的通用高性能電力線載波通信調制/解調器模塊(電力線載波模塊、電力線 MODEM)。他是上海晨泉電子科技有限公司全力打造的專業電力線載波通信產品，其核心是一塊專用電力載波通信 SoC 芯片；同時配合晨泉科技為適應電力線傳輸介質特性而專門研發的通訊編碼/糾錯算法，使得該系列產品具有通信速率高，抗噪聲干擾能力強，傳輸距離遠及可靠性高等特點，是專門為適應中國電力線傳輸應用環境而研發的高性能嵌入式電力線載波通訊模塊， 為各種電力線通信應用提供理想的模塊化解決方案 。

PLC3K內置的 SoC 芯片具有 Intel 8051 指令兼容的微處理器(MCU)，并固化了完整的電力線通信固件和協議。該模塊提供 UART異步串行通信接口，用于數據交換及模塊控制。用戶無需進行電力線通信低層軟件編程，只需遵照異步串行通信接口協議，即可通過電力線實現數據的發送和接收。PLC3K還內置MCU的在線編程接口，用戶可根據應用需要修改或取代內置固件。

PLC3K電力載波調制/解調器采用12 V/5 V供電，具有 TTL 電平的 UART 接口，可以直接與用戶目標系統的微處理器(MCU)的 RXD，TXD 相連收 /發數據，也可以直接與單片機連接；該模塊具有4種通訊速率可供選擇： 1 200 b/s，2 400 b/s，4 800 b/s，9 600 b/s。該模塊提供半雙工通信功能，可以在 220/110 VAC，50/60 Hz 電力線上實現局域通信。在同一臺配電變壓器下，多個PLC3K 模塊可以連接在同一條電力線上： 在主從通信模式下，模塊分別單獨工作，不會相互影響。

2.3 DTMF收發模塊

雙音多頻(Dual Tone Multi-Frequency)是指用2個特定的單音頻信號的組合表示數字和功能。通常國際上采用697，770，852，941，1 209，1 336，1 477，1 633 Hz八種頻率，分成高次群1 209，1 336，1 477，1 633和低次群697，770，852，941。從高次群和低次群中任意各抽出1種頻率進行組合，共有16種組合，代表電話機數字按鍵的{ 0～9，A，B，C，D，*，# } 16種字符，普通電話機不包括A～D。

MT8880是一個帶有呼叫處理濾波器(call progress filter)的單片DTMF收發器，他采用MITEL公司的ISO2-CMOS工藝制造，功耗低、可靠性高。MT8880中的DTMF收號器是基于單片收號器MT8870工業標準，16個DTMF信號能全部接收到。DTMF發送器采用開關電容D/A變換器，具有信號失真小、精度高，定時精確等優點。MT8880有2種工作模式：DTMF模式和呼叫處理(CP)模式。當選擇了呼叫處理模式時，MT8880就用于檢測電話網上電話呼叫過程中表示不同進程的信號音(主要是撥號音，撥號音的標準頻率為350 Hz或440 Hz)，可以進行撥號音識別。這是目前其他DTMF芯片所不具備的，這樣便可以省去一套復雜的撥號音識別電路。

當MT8880作為DTMF接收器時，DTMF信號經由IN+和IN-輸入，經過運算放大濾除信號中的撥號音頻率，然后發送到雙音頻濾波器，分離出低頻組和高頻組信號，通過數字計數的方式檢出DTMF信號的頻率，并且通過譯碼器譯成4位二進制碼。4位二進制編碼被鎖存在接收數據寄存器中，此時狀態寄存器中的延時控制識別位復位，狀態寄存器中的接收數據寄存器滿標識位置位，對外而言，當寄存器中的延時控制識別位復位時，IRQCP由高電平變為低電平。如果用IRQCP作為單片機的中斷信號，IRQL由高電平變為低電平，向CPU發出中斷請求，當CPU響應中斷，讀出寄存器中的數據后，IRQ返回高電平。MT8880芯片引腳圖如圖2所示。

IN+：運放輸入；IN-：運放輸入；GS：Gain Select，運放輸出端；Vref：參考電壓；Vss：電源負極；OSC1：DTMF時鐘/振蕩器輸入，采用3.579 545 MHz的時鐘；OSC2：時鐘輸出；R/W：讀寫控制；CS：片選；RS0：寄存器選擇；Ф2：系統時鐘輸入，TTL電平；IRQ / CP：中斷請求/呼叫處理，向MCU的中斷申請。當選擇了呼叫處理模式時，輸入信號線上有呼叫信號時輸出與之相應的方波信號；D0～D3：數據線；Est：Early steering output，滯后前輸出。當檢測到有效音頻對時，(也稱信號條件Signal condition )，就變為高電平，信號條件不滿足時又立刻返回低電平。此引腳上為高電平不一定表示有DTMF信號，話音信號也會偶然產生有效音頻對；St/Gt：Steering Output/ Guard Time output，滯后輸出/保護后輸出。當電壓高于VTST 時，就保存檢測到的音頻對，同時更新輸出鎖存器的內容。當電壓低于VTST時，芯片就可以重新接收新的音頻對，對Gt的輸出對滯后時間常數(steering timeconstant)有影響，他的狀態是Est和加到St的電壓的函數；VCC：電源正極。

2.4 語音電路模塊

本模塊采用美國ISD公司的新品ISD4004系列的錄放芯片，與單片機構成。該芯片聲音錄放采用ChipCorder專利技術，即無需A/D轉換和壓縮就可以直接儲存，沒有A/D轉換誤差，在一個記錄位(BIT)可存儲250級聲音信號，相當于通常的A/D記錄的8倍。片內集成了晶體震蕩器、麥克前置放大器、自動增益控制、抗混迭濾波器、平滑濾波器等，只需很少的外圍器件，就可以構成一個完整的聲音錄放場。

3 系統軟件設計

本裝置并聯于電話機的一端，不會影響到電話機的正常使用。用戶通過另外的固定電話或移動電話撥通本裝置所連接外線的電話號碼，通過市局交換機向電話機發出振鈴信號。本裝置如果檢測到振鈴5次，即5次響鈴后無人接聽，自動摘機，進入密碼檢測，輸入正確后選擇被控制電器，然后輸入開或關控制電器，完成后掛機返回。

4 結 語

該文所研究的遠程控制系統在實驗室環境下獲得了良好的效果。電力線載波通訊構建的家庭控制網絡和電話網遠程控制網運行可靠穩定。本文所做的研究僅作為一次有效的探索，要開發更多功能、更實用的系統，還需要不斷地摸索和實踐。相信隨著技術的進步和人們生活水平的提高，家電遠程控制系統乃至智能家電系統將得到大力發展。

參考文獻

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作者簡介 李曉廣 1982年出生，河南許昌人，高級工程師，電機與電力電子、計算機科學與技術雙學士。主要從事電力系統監控方面的研究。