載波通信在家用安防系統中的應用研究

金鑫　陳存廣　王帥宇　李志剛

摘 要： 在電力線載波通信的基礎上提出了家用安防系統的遠程接收控制端的設計方案，該方案中單片機通過串行口與載波模塊通信完成接收遠程控制信號，并對家用安防設備進行通信和智能監控，實現了遠程監控和集中管理的目的。

關鍵詞： 電力線載波； 家用安防系統； 智能控制； 信號耦合

中圖分類號： TN913.6?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0100?03

0 引 言

步入21世紀，隨著網絡、信息、自動控制技術和微電子在家用安防系統的應用，各類家用安防系統對智能化的要求也呈現出多樣性，包括安裝方便、通信可靠、智能的信息處理終端設備、自動化和智能化，家庭網絡智能化勢在必行[1]。

電力線載波通信技術，是指借助于現有電力線，傳輸數字信號和模擬信號（圖像信號和話音）的一種高速數據通信技術。只要是電力網達到的地方，就可以利用電力線載波技術將低壓控制信號加載到電力線上進行傳輸，復用現有電力線廣泛的網絡資源[2?3]。由于它具有廣泛覆蓋、不用二次布線、功能強大、節省費用、使用方便、易于擴展和安裝等顯著特點，利用220 V低壓電力線進行通信的價值越來越為人們所重視。本文依靠電力線載波通信技術，開發一款以單片機為控制芯片的家用安防設備遠程自動化控制系統。

1 系統方案與工作原理

系統方案框圖如圖1所示，主要由控制部分、單片機和接收載波模塊三部分組成。控制部分的工作是由單片機控制，通過單片機UART口與接收載波模塊部分進行通信。

圖1 系統方案結構圖

載波模塊接收到來自遠程控制端信號后，把信息傳給單片機。當單片機接收到控制信號后，執行相應的操作，從而達到對不同家用安防設備通信和控制的目的，同時單片機還可以把家用安防設備的狀態反饋給遠端控制者。控制部分完成對不同家用安防設備和智能家具接口的通信和控制功能。本文主要完成的是載波通信部分的設計。

2 載波接收模塊設計

載波通信模塊能否進行準確工作的關鍵是調制解調技術，本文設計的載波通信模塊使用的是擴頻通信技術[4]（SSC），擴頻通信芯片采用PLCi36C，采用全雙工模式，信號耦合電路分為信號發送部分和信號接收部分，其工作原理圖如圖2所示。

圖2 載波通信工作原理框圖

2.1 信號耦合電路

載波通信的中心頻率為270 kHz，根據此要求設計信號耦合電路 [5]，如圖3所示。

信號耦合電路的設計是載波通信的重要部分，它是客戶端數據在電力線（Powerline）傳輸的關鍵部分。該部分電路的主要功能為：瞬時電壓脈沖抑制（例如：電網自身產生的浪涌和尖峰電壓、雷擊對電網造成的過壓、及空間靜電放電引起的尖峰電壓等）；濾除220 V AC/50 Hz（或110 V AC/60 Hz）交流信號；快速將發射信號加載到電力線，并提供發射功率，使輸出信號的電平和諧波電平均滿足相關技術要求；最小衰減有用信號，并保證最佳接收；良好的帶通濾波功能，最大限度地抑制電力線上的噪聲干擾。

2.2 發射部分電路組成

發射部分電路的主要功能是高效輸出功率信號，并在電力線上加載調頻信號。其電路主要由以下幾部分組成：諧振功率放大器、擴頻調制信號輸入和信號耦合電路。電路原理圖如圖4所示。

圖3 載波信號耦合電路

圖4 載波信號發送電路

首先由載波芯片（ES16U）的13腳發出初步處理后的信號，此時載波信號已經被調制成數字信號，其中心頻率為270 kΩ。然后，經過電阻[（R10）]限流后，送入三極管[（T1）]進行放大，此時信號被調制成正弦交流信號。為了防止引起干擾，設計阻抗無窮大的并聯諧振電路把信號端與電源端進行隔離，由電感[（L4）]和電容[（C16）]組成。同時，電感[（L4）]又給三極管[（T1）]提供必要的工作電流，保證三極管[（T1）]的穩定工作。 最后，放大后的調制信號經電容[（C15）]后進入中周的4腳，由中周進行阻抗變換和耦合，并將將調制好的270 kHz信號加載到電力線。

2.3 接收電路組成

信號接收電路的主要功能是把接收到的電力線載波擴頻信號解調成模擬信號，信號接收電路由三部分組成：信號耦合電路、帶通濾波器BPF和模擬前端AFE。信號接收電路原理圖如圖5所示。

首先，中周的次級輸出載波信號，經過限流電阻[（R6）]進入選頻網絡。電感[（L1）]和電容[（C9）]組成串聯諧振電路，電感[（L2）]和電容[（C10）]組成并聯諧振電路，兩個諧振電路組成選頻網絡，對載波信號進行選頻。為了防止電壓過高，加入限幅電路（VD7，VD8），確保信號的電壓為2 V左右。信號經過選頻后，進入模擬前端信號處理電路，該部分電路核心器件為混頻器（AFE3361），其內部集成限幅電路，放大電路，混頻電路及信號整形電路。混頻器（AFE3361）的16腳為載波信號輸入腳，1腳為本振信號輸入。載波芯片送出185 kHz的標準數字信號，經過由電感[（L3）]和電容[（C14）]組成的并聯諧振電路，調制成185 kHz的正弦波本振信號，輸入到混頻器（AFE3361）的1腳。本振信號與載波信號進行混頻，被調制成455 kHz混頻信號。455 kHz混頻信號由陶瓷濾波器[（Z1）]濾波后，由混頻器（AFE3361）的5腳，二次放大后，由混頻器（AFE3361）的9腳輸出，然后經濾波后與混頻器（AFE3361）的10腳送入電壓比較器，由混頻器（AFE3361）的11腳為比較器的輸出端。最后，由（AFE3361）的13腳輸出處理后的信號，送入載波芯片（ES16U），其他工作由載波芯片在內部進行處理，完成信號接收任務。

2.4 PLCi36C擴頻通信芯片概述

擴頻通信也是一種信號與信息的傳輸方式，其實質是擴展頻譜通信技術（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技術特征是信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬。擴頻通信技術優點非常明顯：抗多徑干擾；誤碼率低；功率譜密度低，具有隱蔽性和截獲概率低；保密性強；易于實現單碼分多址。

在電力線載波通信中，常采用PLCi36C作為擴頻芯片，用于電子終端設備之間的數據交換。PLCi36C的數據鏈路層通信協議符合高級數據鏈路控制（HDLC）通信協議，應用層通信協議完全兼容DL/T645?1997規范要求，在保證DL/T645?1997協議完整性的前提下，增加了DL/T645?1997對網絡數據通信的支持[7]。

3 控制部分設計

3.1 電路組成分析

控制部分電路是面對應用對像設計的，它的核心是微處理器，大多采用單片機，當微處理器接收到來自電力線傳來的信號后，根據協議完成相應的操作[8]。由于不是本論文的重點內容，控制過程這里不再詳細敘述。控制部分電路如圖6所示。

圖6 控制部分電路

3.2 系統軟件部分

軟件采用C語言編寫，主程序流程圖和中斷服務程序如圖7所示。

4 結 語

本文利用低壓電力線載波通信技術實現遠程通信，具有布線方便、成本低、通信穩定、測點位置隨時變換等諸多優點。本方案除了可以應用于家用安防系統之外，還可用于智能家具控制場合、蔬菜種植基地大棚、工業智能控制、醫院護理等很多場合。隨著載波通信技術的不斷發展和完善，它必將為人們生活環境的改善帶來一場新的革命。

圖7 主程序和中斷服務程序流程圖

參考文獻

[1] 吳明光，婁嘉駿.基于低壓電力線載波技術的家庭網絡[J].電力系統及其自動化學報，2003，15（5）：77?82.

[2] 趙偉.電力線載波通信系統指南[M].昆明：云南科技出版社，1983.

[3] 陳維千.電力線載波通信[M].北京：水利電力出版社，1989.

[4] 陳正石.擴頻技術在電力線載波通信中的應用分析[J].電力系統通信，1998（1）：10?13.

[5] 朱長銀.基于低壓電力線擴頻載波抄表技術的研究[D].南京：河海大學，2005.

[6] 王贊基，郭靜波.電力線擴頻載波通信技術及其應用[J].電力系統自動化，2000，24（21）：65?67.

[7] 青島東軟電腦技術有限公司.芯片手冊PLCi36C[M].青島：青島東軟電腦技術有限公司，2005.

[8] 李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[9] 徐愛鈞.單片機高級語言C51應用程序設計[M].北京：電子工業出版社，2001.

[10] 何世彪，譚曉衡.擴頻技術及其應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

2.4 PLCi36C擴頻通信芯片概述

擴頻通信也是一種信號與信息的傳輸方式，其實質是擴展頻譜通信技術（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技術特征是信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬。擴頻通信技術優點非常明顯：抗多徑干擾；誤碼率低；功率譜密度低，具有隱蔽性和截獲概率低；保密性強；易于實現單碼分多址。

在電力線載波通信中，常采用PLCi36C作為擴頻芯片，用于電子終端設備之間的數據交換。PLCi36C的數據鏈路層通信協議符合高級數據鏈路控制（HDLC）通信協議，應用層通信協議完全兼容DL/T645?1997規范要求，在保證DL/T645?1997協議完整性的前提下，增加了DL/T645?1997對網絡數據通信的支持[7]。

3 控制部分設計

3.1 電路組成分析

控制部分電路是面對應用對像設計的，它的核心是微處理器，大多采用單片機，當微處理器接收到來自電力線傳來的信號后，根據協議完成相應的操作[8]。由于不是本論文的重點內容，控制過程這里不再詳細敘述。控制部分電路如圖6所示。

圖6 控制部分電路

3.2 系統軟件部分

軟件采用C語言編寫，主程序流程圖和中斷服務程序如圖7所示。

4 結 語

本文利用低壓電力線載波通信技術實現遠程通信，具有布線方便、成本低、通信穩定、測點位置隨時變換等諸多優點。本方案除了可以應用于家用安防系統之外，還可用于智能家具控制場合、蔬菜種植基地大棚、工業智能控制、醫院護理等很多場合。隨著載波通信技術的不斷發展和完善，它必將為人們生活環境的改善帶來一場新的革命。

圖7 主程序和中斷服務程序流程圖

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2.4 PLCi36C擴頻通信芯片概述

擴頻通信也是一種信號與信息的傳輸方式，其實質是擴展頻譜通信技術（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技術特征是信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬。擴頻通信技術優點非常明顯：抗多徑干擾；誤碼率低；功率譜密度低，具有隱蔽性和截獲概率低；保密性強；易于實現單碼分多址。

在電力線載波通信中，常采用PLCi36C作為擴頻芯片，用于電子終端設備之間的數據交換。PLCi36C的數據鏈路層通信協議符合高級數據鏈路控制（HDLC）通信協議，應用層通信協議完全兼容DL/T645?1997規范要求，在保證DL/T645?1997協議完整性的前提下，增加了DL/T645?1997對網絡數據通信的支持[7]。

3 控制部分設計

3.1 電路組成分析

控制部分電路是面對應用對像設計的，它的核心是微處理器，大多采用單片機，當微處理器接收到來自電力線傳來的信號后，根據協議完成相應的操作[8]。由于不是本論文的重點內容，控制過程這里不再詳細敘述。控制部分電路如圖6所示。

圖6 控制部分電路

3.2 系統軟件部分

軟件采用C語言編寫，主程序流程圖和中斷服務程序如圖7所示。

4 結 語

本文利用低壓電力線載波通信技術實現遠程通信，具有布線方便、成本低、通信穩定、測點位置隨時變換等諸多優點。本方案除了可以應用于家用安防系統之外，還可用于智能家具控制場合、蔬菜種植基地大棚、工業智能控制、醫院護理等很多場合。隨著載波通信技術的不斷發展和完善，它必將為人們生活環境的改善帶來一場新的革命。

圖7 主程序和中斷服務程序流程圖

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