一種家庭異構網絡系統終端設計*

胡 東，張 盛，林孝康

(深圳市信息科學與技術重點實驗室，清華大學深圳研究生院，深圳518055)

1 引言

目前，世界上應用最廣的網絡還是互聯網，而接入互聯網的終端設備主要有電腦、手機或者其他智能終端設備。隨著技術的發展，人們對技術的應用提出了更高水平和更廣領域的要求。人們不但希望網絡可以解決智能設備之間的信息交互問題，也希望它能與非智能型設備進行通信和控制，并通過合適的交互形式反饋給用戶。物聯網［1］的概念隨之提出。

物聯網時代有兩個顯著的特點。一方面，物聯網技術的迅速發展，使得原本不方便接入到網絡中的設備可以通過外接或者集成小型網絡協議而有了聯網的可能;另一方面，隨著人們生活水平的提高以及對生活質量的期待越來越高，對家用電器的智能化和網絡化也提出了更高層次的要求。

電力線通信是一種利用高壓、中壓、低壓電力線作為傳輸媒介進行數據傳輸的技術，具有不需要重新布線、網絡覆蓋范圍廣等優點。WirelessHART技術是一個健壯的、可用于過程測量、資產管理的無線HART協議，目前在工業控制界使用較多。

該文提出一種兼容電力線通信、WirelessHART自足網絡以及以太網通信的異構網絡型終端系統，探討異構網絡環境下的家用電器智能化發展方向。

2 硬件模塊設計

該系統主要由主控模塊、WirelessHART模塊、電力線通信模塊、以太網模塊組成。

2.1 MCU主控模塊

微控制器是一個嵌入式設備的核心，它承擔著整個系統的計算、資源調度與數據處理功能。考慮到系統功能的復雜性以及網絡結構的多元性，該文選取由意法半導體公司生產的STM32F103ZET6芯片作為微控制器芯片。該芯片基于ARM Cortex－M3內核，處理速度最高可達72Mhz，具備單循環周期運算以及硬件除法等特性，并具備多種外設和豐富的通信接口，具有很高的功能性和擴展性。

2.2 WirelessHART 模塊

WirelessHART模塊主要由射頻芯片CC1100E和協議主控芯片MSP430組成。CC1100E是Texas Instruments公司的一個RF模塊的芯片，主要應用于1Ghz頻段以下射頻通信的模塊，該芯片把RF收發器與基帶調制解調器集成在一起，支持多種調制格式。MSP430是 TI公司的一個低成本的16位MCU。

2.3 PLC 模塊

目前，電力線通信芯片有多種選擇，國外一些大公司有很多比較成熟的產品，例如 ST公司的ST7538、ST7540等芯片，Intellon公司的SSC P300芯片以及Maxim公司生產的Max2990芯片等。與此同時，國內一些公司也有了自己的解決方案，如四川科強電子有限公司的KQ－130系列電力載波模塊，杭州新實科技有限公司的SENS－00電力載波模塊。該文選取科強公司的KQ－130F電力載波模塊作為系統的調制解調部分，該模塊具備以下特點:符合“中華人民共和國電力行業標準 DL/T698－1999”，采用FSK方式調制，載波中心頻率127KHz，帶寬達 8.77KHz，最高通信速率 4.8kbps，并具備高接收靈敏度的特點。

2.4 以太網模塊

該文選取體積較小的ENC28J60芯片作為以太網模塊。該芯片是美國微芯科技公司(Microchip Technology)推出的28引腳以太網控制器，具備低引腳數、低成本且高效易用等優點。具有遵循IEEE 802.3標準的以太網控制器，集成MAC層與PHY層邏輯、支持全雙工/半雙工通信模式、支持SPI接口等特點［2］。

2.5 硬件接口

硬件模塊的協同工作要靠芯片間的通信接口來實現。該系統主要用到UART接口以及SPI接口。

UART接口是一種通用型異步收發接口，UART協議廣泛應用于各種接口，包括 EIA、RS－232、RS－485等，現在UART電路已被廣泛集成于各種微控制器中。UART協議的特點是，在發送端，它通過并/串轉換過程，將一條多字節指令或信息順序地發送字節流來傳輸信息;在接收端，一個同樣的支持UART協議的設備通過串/并轉換，將字節流轉換成一條完整的指令或還原成信息。

SPI接口的全稱是Serial Peripheral Interface，是一種可以工作于全雙工模式下的同步數據鏈路標準，最早由Motorola提出，常用于傳感器件、控制設備、存儲模塊等接口。SPI通信的雙方分為主機和從機，其中主機可以指定數據的幀結構;一個系統中可以存在多個從機，每個從機通過片選引腳決定是否處在工作狀態。

3 軟件模塊設計

嵌入式系統的開發環境有多種選擇，該文選取IAR Embedd Worckbench for ARM作為開發環境，使用STM32 Firmware Library作為庫來實現整個系統的軟件。

3.1 主控模塊

主控模塊主要承擔的功能有初始化STM32F103ZET6芯片、配置系統時鐘、配置外設等等功能，然后進入處理系統信息的邏輯。

如圖1所示，該系統主要通過循環處理以太網以及電力線上的數據請求。沒有使用串口中斷來提高系統的實時響應速度，主要是考慮到終端系統的擴展性，如果有多個串口設備接入到終端系統中，或多個終端設備之間相互通信，可以通過STM32內建的串口多機通信機制來擴展系統的功能。

圖1 主控模塊系統流程

3.2 WirelessHART 模塊

WirelessHART模塊的軟件部分，主要由兩層模塊組成。上層控制模塊采用移植版的uCOS嵌入式操作系統，它具有搶占式、實時性、多任務等特點;下層模塊采用自主開發的WirelessHART協議棧。它可以通過SPI接口與STM32F103ZET6進行通信。目前，該模塊已經在某電力級無線數據終端產品中投入使用，該產品正在量產中。

代碼級的接口主要有兩個，一個是數據發送函數，定義為:void appSendDataReq(BYTE*txBuffInfo，UINT16 sAddr)，其中第一個參數是被轉化為字符串的待發送數據，第二個參數是設備地址;另外一個是一個字符數組緩沖區，定義為:BYTE appRxBuff［APP_RX_BUFF_SIZE］，該緩沖區緩存由 WirelessHART模塊接收到的數據，并通過中斷機制通知MSP430對數據進一步處理。

3.3 PLC 模塊

KQ－130F模塊連線簡單，僅需要TX、RX兩個數據線連接即可完成通信功能。這兩個數據線的輸入信號，是標準的TTL電平信號，即5V電壓視為高電平，0V電壓視為低電平。傳輸協議采取UART協議，需要將STM32F103ZET6的串口配置為數據字長為 9比特、1停止位、9600波特率，然后將STM32F103ZET6的 TX、RX引腳分別接到 KQ－130F的RX、TX引腳。值得注意的是，雖然STM32系列的芯片工作于3.3V電壓下，但是它的非模擬輸入引腳均具備5V兼容特性，并兼容TTL和CMOS電平信號，因此主控模塊和PLC模塊之間可以直接連接，不需要使用上拉電阻提高主控模塊的輸出電平。

一般來講，電力線上由于并接了多種家用電器，各種電器產生的諧波無法避免地會反饋耦合到電力線上，導致信道噪聲增大。KQ－130F模塊充分考慮到這一點，它提供兩種工作模式，一種是透明工作模式，可以將用戶數據與信道噪聲原封不動地傳輸并解調出來，用戶需要自己設計幀同步機制過濾掉噪聲;另一種是自定義工作模式，它提供特定的幀格式，用戶只需要按照幀格式傳輸數據，就會過濾掉不需要的噪聲。對于一個N(N＜=253)字節幀，它的幀格式如表1所示。

表1 PLC模塊自定義工作模式下的幀結構

由表1可以看出，幀結構的主要約束條件是:第一個字節需要標明該幀所含用戶數據的長度。另外需要注意的是，由于該模塊的傳輸速度較低，傳輸每個幀之間需要特定的時間間隔，具體的時間間隔計算方法如下:

Δt=(N+4)*0.09(s)

即幀的總字節數，加上4字節的前導碼，乘以字節間間隔0.09秒，即是PLC模塊發送數據時的幀間間隔時間。以8字節幀長度為例，至少每隔(8+4)*0.09=1.08秒才能發送一幀數據。

3.4 以太網模塊

ENC28J60模塊采用SPI接口與微控制器模塊直接通信，收發數據和傳輸控制命令。該模塊主要包含三個部分。

首先是ENC28J60芯片驅動，主要是初始化、配置ENC28J60，以使其處于正常的工作模式下。這里的配置，主要是由STM32F103ZET6通過SPI接口操作ENC28J60的控制寄存器實現。

其次是移植版的TCP/IP協議棧，考慮到資源的有限性，該文移植了一個最小化的TCP/IP協議棧，僅包含用于地址解析的ARP協議、用于調試目的的ICMP協議、用于支持上層應用的TCP/UDP協議。

最后是一個Web服務器，該Web服務器提供一個簡單的Web頁面，用于查詢系統自身以及一些外圍設備的工作狀態，便于用戶掌控系統。

4 應用舉例

基于上述設計，一個兼容PLC和以太網的異構網絡家庭智能終端系統已經設計并實現完成。設計了一個簡單的基于傳感器的智能照明控制系統，以測試系統。

在上述設計基礎上，添加了一個PIR人體感應紅外傳感器模塊和繼電器驅動模塊。其中傳感器模塊采用CS9803熱釋電人體感應傳感器芯片，通過STM32F103ZET6的GPIO腳連接到主控模塊，通過STM32F103ZET6的外部中斷模式對傳感器的信號作出實時反應;繼電器驅動模塊采用達靈頓電路驅動，可以利用STM32F103ZET6輸出的高電平信號控制220V家用電線。同時，為以太網模塊的Web服務器增加一個照明燈指示功能，通過探測繼電器引腳的高低來判斷當前繼電器以及照明電路的狀態。

經過實踐，該系統可以對4米范圍內的人體信號做出快速反應，打開照明系統;并能通過Web服務器查詢和控制照明系統的工作狀態，具備智能控制的特點。另外，在未來的工作計劃中，將會通過兼容基于PLC的智能抄表系統來實現對用電的靈活控制，提高電能利用率。

5 結束語

該文提出了一種基于PLC的家庭智能終端系統，在結合一些外圍設備，如無線傳感器的情況下，該系統既可以實現智能化控制家用電器的目的，又實現了兼容電力線通信的功能，未來可以與智能電網系統中的基于PLC技術的智能抄表設備相配合，打通了智能家居與智能電網系統之間的障礙。本系統還可以利用WirelessHART網絡與工業控制系統通信，擴展了WirelessHART技術的應用范圍。

［1］Kevin Ashton.That＇Internet of Things＇Thing［EB/OL］.RFID Journal.22 July 2009.http://www.rfidjournal.com/article/view/4986.

［2］緱延軍.基于ENC28J60的嵌入式異構網關與Web應用［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2008，36(2):263－268.