基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计

基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计（精选7篇）

基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计 篇1

基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计智能家居系统基本任务之一，就是能够通过Internet网络对各类电器实现操作控制。由于主要家居电器本身就由220V供电，因此利用电力线 实现设备监控是一种非常有效的方式。面向服务于智能家居系统的嵌入式网关设计，着重阐述了设计思路、芯片选型，以及电力线通信模块及其协议设计等关键技 术，并实现了以太网到电力线协议转换的软硬件设计。基于Internet网络，对连接于电力线的多类家用电器进行实际测试，结果表明系统运行稳定，监控功 能可靠，相关技术具有很好的实用价值。

智能家居系统，既涉及到家庭中各种高端信息设备的互联互通，也涉及到对家庭中各种照明、安防、电 器和基础设施之间的联网以及相互间的自动控制，最终为用户提供一种安全、舒适且方便的智能化和信息化生活空间。其一个基本的功能要求就是能通过电话线或因 特网实现对各种家用设备（如空调、热水器）的远程使用和操作控制。

“智能家居系统嵌入式网关设计”必须立足于满足需求，选择最佳技术方案，以自主技术为基础，充分考虑国内外家庭网络目前的发展现状和已有的标准（或规范），开发具有自主知识产权的家庭网络及其产品，并构筑安全、可靠且实用的家庭局域网络。

系统整体设计

家庭网关是智能家居系统的核心部分，各个不同协议子网之间的互联和信息共享都需要通过网关进行，而且网关还负责家庭局域网接入Internet。为适用 于普通的家庭用户，网关一般设计为嵌入式设备，并采用TCP/IP技术和高性能微处理器实现。家庭嵌入式网关应该能够实现CAN现场总线、Zigbee无 线通信和电力线载波等多种通信协议，同时具有Internet、GPRS和GSM等多类接口，以支持各类数据的传输。用户可通过有线和无线的以太网，以及 通过手机短信等多种方式，实现授权行为下的*浏览和家庭智能设备控制。

基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计 篇2

关键词：电能管理,电力线载波通信,智能网关,Web服务器

0 引言

“智能互动”是智能电网的主要特点和建设目标，包括信息和电能的双向互动，鼓励用户改变传统的用电方式[1]。电网技术的发展使用户从被动参与者转变为主动参与者，阶梯电价和峰谷电价的推行，使电力用户获得更多激励，对用电成本更敏感[2]，用户希望获得更准确的用电信息以合理安排用电计划。因此，组建一个电能网络对用电设备进行检测计量并优化其运行，具有极高的实用价值。

构建一个智能化的用电管理系统，首先要对设备进行电能计量，并联网通信，以共享用电数据和实现远程控制。对连接电网和用电设备的插座进行改造可以很好地监控电器设备[3]。电力线载波通信（Power Line Communication,PLC）利用电力线通过载波方式对模拟或数字信号进行高速传输，无需重新铺设专用的线缆，也不占用无线通信的频谱资源，在低压电网中通信稳定，同时电力线调制解调模块的成本也远低于其他无线模块，是解决智能用电系统数据传输的理想方案。开发使用带有计量模块和电力线载波模块的插座，将用电信息传送至以S3C6410为核心的智能网关嵌入式平台，并将该平台接入网络，用户可通过PC或手机等移动终端实时查看用电信息，制定用电方案，同时也可完成对电器设备的远程控制，实现智能用电的目标。

1 系统整体设计

该系统主要是由载波通信插座（PLC插座）和智能网关平台两个部分组成。通过电力线载波通信方式实现数据通信。系统的设计包括PLC插座、无线通信模块、网关服务器和Web客户端的设计。系统采用星状拓扑结构组建独立的电力线网络，用电设备连接PLC插座，PLC插座和网关之间以电力线载波通信方式进行用电数据和控制指令的传输。智能网关通过WiFi连接互联网，为用户提供实时的Internet访问服务，系统的总体结构如图1所示。

用电设备与PLC插座相连，插座内置的高精度电能计量模块完成用电信息采集后，将数据通过PLC模块发送至网关。需要对用电设备进行远程控制时，利用PC或移动设备在Web页面发送操作指令，通过智能网关将指令传至PLC插座，插座通过内置继电器控制设备的开关。智能网关与PLC模块、WiFi模块之间均采用串口连接，提高了系统兼容性和可扩展性，组网方式也更加灵活多样[4]。

2 系统硬件设计

针对智能用电管理系统中PLC插座和智能网关两部分的不同功能和需求，分别选用不同的主控芯片和设计方案。

2.1 PLC插座硬件设计

PLC插座主要由微处理器、电源模块、电流电压采样模块、计量模块、PLC模块和继电器组成，其功能结构如图2所示。

本系统的微处理器选用意法半导体公司（ST）的STM32F103ZET6芯片。该芯片基于专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的Cortex-M3内核，是目前32位微控制器市场上功耗最低的产品，拥有512 KB的片内FLASH,64 KB的片内RAM,5路USART,3路SPI接口，1个CAN接口等丰富的资源[5,6]。电源电路如图3所示，模块将220 V交流电经AC-DC转换成12 V直流电，使用LM317芯片，可提供5 mA～1.5 A的稳定电流；模块提供两路供电：一路为PLC模块提供12 V电压；另一路经DC-DC转换为5 V电压，为主控制器和计量芯片供电。设计中使用3个430 kΩ电阻串联分压方式实现电压采样，使用电流互感器实现电流采样。

电能计量电路如图4所示，计量芯片采用合力为科技的HLW8012，它是专门面向智能插座和智能家居应用的一种高精度低成本电能计量解决方案，高频脉冲CF指示有功功率，在1 000∶1范围内可达到±0.2%的计量精度[7]。为了提高通信抗干扰能力，选用KQ-130485K作为PLC模块[8]，其工作频率在113～120 kHz，接口波特率9 600 b/s，接收灵敏度≤1 mV，带外抑制能力≥60 dB，带宽≤10 k Hz。模块包括了载波驱动、耦合、滤波等外围电路，在12 V工作电压下，通过两根RS 485信号线连接RS 485总线，并将其两个AC端与220 V电力线相连，即可在处理器控制下实现数据传输，极大地简化了硬件设计。

2.2 智能网关硬件设计

智能网关是该用电管理系统的控制核心，负责系统的数据处理，并通过以太网和无线模块与上位机交换数据，传送电器的用电信息和运行状态信息，接收用户的控制指令，其功能结构如图5所示。

智能网关主要包括主控制器、电源模块、实时时钟、LCD显示模块、存储模块、以太网模块、PLC模块和WiFi模块等。主控制器选用基于ARM11的SAMSUNG S3C6410芯片[9]。电源模块和PLC模块选用和PLC插座相同的设计方案。以太网控制器选用DM9000芯片，芯片集成10/100M自适应收发器和4 KB的双字SRAM，物理协议层接口完全支持非屏蔽双绞线，配合网络变压器和RJ45以太网接口，可以方便地接入网络。WiFi模块选用基于德州仪器公司CC3200芯片方案的USR-C322无线模块，内置Cortex-M4内核，运行频率达80 MHz，具有超低功耗运行控制机制，在网功耗低至3.5 mA；模块通过UART接口与网关进行连接，实现系统的联网功能。

3 系统软件设计

3.1 PLC插座软件设计

PLC插座负责完成用电设备的开关控制、电能计量、数据存储及与网关的通信。PLC插座的程序主要实现各功能模块的管理和调度，其流程如图6所示。

系统上电后完成STM32F103ZET6和KQ-130485K载波模块串口的初始化，并读取当前系统时钟。HLW8012芯片完成电能数据采集后，发送高频脉冲CF和CF1给STM32F103ZET6，后者开启串口中断，接收并存储数据。当处理器接收到来自网关的数据传送指令后，控制PLC模块将有功功率、电流有效值和电压有效值发送给网关，然后进入等待状态。一旦接收到来自网关的用户控制指令，处理器中断当前用电数据采集任务，响应用户指令，判断是否对继电器进行操作以改变用电器的工作状态。数据接收和发送的部分代码如下：

3.2 智能网关软件设计

3.2.1 智能网关软件系统架构

智能网关软件系统由硬件抽象层、操作系统层和应用层三个部分组成。软件系统的设计主要包括嵌入式系统的移植、底层驱动开发、嵌入式Web服务器的移植和通用网关接口（Common Gateway Interface,CGI）程序开发。设计采用Linux操作系统作为系统的软件平台。Linux源代码开放，内核高效稳定，实时性高，支持多种体系结构，广泛应用于各种嵌入式设备。

硬件抽象层是操作系统内核与硬件电路之间的接口层，它将硬件抽象化，隐藏了特定平台的硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，提高了系统的可移植性。硬件抽象层包括引导加载程序和硬件驱动等。智能网关软件系统的应用程序主要包括嵌入式Web服务器和电能管理程序两部分。

3.2.2 嵌入式Web服务器的实现

嵌入式Web服务器多采用B/S结构，用户通过浏览器向服务器发送连接请求，服务器确认用户请求的合法性后，与浏览器建立TCP/IP连接，侦听浏览器请求并按HTTP协议规范进行解析，根据请求内容将执行结果返回给浏览器。智能网关系统使用Boa作为Web服务器，它是一种单任务的嵌入Web服务器，精简高效，源代码开放，系统占有率低，广泛用于各种嵌入式设备。

构建智能网关Boa服务器主要包括以下步骤：

(1）解压Boa源代码生成Makefile文件，修改文件中的编译工具和编译方式，即将CC=gcc改为CC=armlinux-gcc,PP=gcc-E改为arm-linux-gcc-E，重新make编译生成可执行的Boa文件；

(2）配置Boa服务器，主要是修改用户权限和访问路径，打开Boa.config文件，将User nobody改为User 0,group nogroup改为Group 0，将Document Root/var/www改为Document Root/var/html。完成后重新编译内核，并下载到智能网关[10]。

3.2.3 CGI程序设计

CGI定义了Web服务器和其他可执行程序之间进行交互的接口标准，用来实现客户端网页与Web服务器之间的数据交互。浏览器通过Web表单请求CGI程序，服务器响应请求并调用对应CGI程序进行处理，同时返回数据给网页。CGI程序可以使用任何一种具有标准输入、输出和环境变量的编程语言编写。本设计采用C语言编写CGI，以方便调用Linux系统的底层驱动程序[11]。智能网关中CGI的程序流程如图7所示。

4 系统测试

为了测试系统PLC通信的稳定性，考虑到电网负荷的变化对PLC通信的影响，选取了一天当中4个不同的时间段进行数据收发测试，测试数据如表1所示。测试结果表明，PLC通信数据准确率在98%以上，系统具有较高的通信稳定性。

将用电设备与PLC插座相连接，设置好智能网关的IP地址，在PC或手机终端通过浏览器访问该地址，登录到系统页面，可查看用电设备的电能数据，并可进行远程控制。系统的运行界面如图8所示。当新增PLC插座节点时，不需复杂的系统设置，即可及时准确地完成数据和指令的传送，系统的稳定性也不受PLC插座节点增减的影响。

5 结语

设计了一套由PLC插座和智能网关组成的智能用电管理系统，充分利用低压电网PLC成本低、组网简单、性能稳定的优势，结合成熟的网络通信技术，实现了小型用电网络的智能化管理。

通过该系统，用户可以实时监管电器的用电和运行状态信息，制定合理的用电计划，实现设备的优化运行和远程监控，具有很好的应用前景。

参考文献

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[10]王莉,周伟.基于ARM的嵌入式Web服务器设计[J].计算机工程与应用,2012,48(14):90-93.

基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计 篇3

【关键词】 智能小区 电力载波通信技术 应用

随着智能化小区建设的热潮袭来以及整个社会的信息化与智能化发展，智能化小区在建筑建设过程中，通过通信技术及通信网络把各个智能系统有效的联系起来，而得以实现智能化的服务。信息化技术与建筑艺术相结合，为我们提供了更加安全、便捷的生活服务。通信网络作为信息传输的高速公路，是智能小区乃至智慧城市、物联网的重要组成部分。电力载波作为通信技术的一种，是电力系统特有的通信方式，电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。其最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。

一、智能小区在通信网络设计时所应遵循的原则

对于智能小区中通信网络的设计，需要在建筑建设期初就做好规划。在应用通信技术过程中需要遵守以下几个原则。

第一个原则就是在智能小区的办公区域内，需要营造出舒适、安全的办公环境，坚持“以人为本”的原则，对于通信系统技术的设计既要有很高的安全性又要经济实用，从而节约经济成本；二是在建立智能小区的安全防范体系时，需要符合于现代安全防范控制技术标准，同时确保通信网络的安全性；第三个原则是在智能小区的通信技术实施过程中，符合节能减排的大环境趋势，从而使得各个通信系统的设计要坚持绿色环保、安全使用以及节能减排的原则；四是对于通信技术的应用，在以技术为依托的设备选择时，产品的质量是不容忽视的，尽量选择国际国内一流的设备厂家且本地有维护团队，设备及产品符合国际和国家通用标准、协议，即使在后期使用过程中出现系统故障，也能够确保通信系统的快速恢复，为智能小区的通信技术应用提供强有力的保障；五是要确保通信技术架构的扩展性和弹性，使得小区的通信系统服务不会受到科学技术发展的制约，从而满足于客户的使用需求，随着科学技术的发展，能够实现通信技术的升级与更新。除此之外，还需要保持智能小区使用的方便性，根据不同文化阶层的智能小区特点，而选择合适的通信技术，从而保证通信技术服务的快捷、简单、方便。

二、电力载波技术在智能小区的应用

2.1 PLC-BUS的电力载波通信网络

电力线是一种新型的宽带接入技术，由于国内居民楼的中低压配电网结构的复杂性，不仅新旧不同，而且其高度也不同，因而使得各式居民楼之间配电网结构也不相同，因此在新的智能小区中，都具有独立的配电间与配电变压器，在每一种的低压配电网结构中都会制定出相应的PLC接入的解决方案，从而使得配电网的结构都各自相同，根据用户接入的方案来灵活改变宽带的共享区域，从而使得通信设备具有很高的利用率。

2.2具体的通信技术应用

1、高层住宅楼。对于高层住宅楼中的用户，使用共同的电梯与楼梯，住房密度相对较大，因而在低压配电网结构时，会有独立的配电间，并且在楼内会有很多条的电力直接会通向用户，为相邻的一层或者几层的用户来传输电力。具体方案就是在PLC设备设置在楼层内的配电间，根据其实际的情况来选择合适的接入方案，并且做好配电网物理的网络规划，如果用户较少的情况下，可以实现三相线路的划分，也可以让相邻的几层用户来共享同一条电力线。

2、低层住宅楼。对于低层住宅楼，则一般会分成很多个单元，每一个单元都是独立的楼层，一层的住户约在两到四户之间。根据这种低层住宅楼的结构特点，一台配电变压器可以提供五到八栋楼的使用，而且在每一个单元中，都会采用一条电力线从单元的低层直达顶层，并且在每一个楼层单都有相应的电表。其具体的组网方案为，以配电网物理网络来进行划分，然后按照一个单元的用户来共享一条电力线，当然，如果用户较少的情况下，可以让几个单元来共享一条电力线。如果用户的数量在增加时，可以灵活的改变共享范围，从而减少对于前期的投资，并且PLC设备还能够保持在一个较高的利用状态，而且网络结构在改动起来也方便、灵活，为智能小区通信系统的实施节省了一部分经济成本。

随着科学技术的不断发展，无论是计算机技术，还是网络通信技术，都在被广泛的应用，而且技术越来越成熟。而智能小区在建设过程中随着信息化技术的融入，使得小区的智能化程度也越来越高，由于小区的通信技术有着其自身的复杂化，并且在实施过程中会涉及到很多领域，如通信、家电、建筑、网络等，因而需要结合智能小区的特点，建立智能化的通信系统，从而为用户提供一个安全、舒适的居住环境，并且在建设过程中遵循一定的原则，做到科学、有效、合理性，从而发挥出通信技术的良好功能性。除此之外，还需要在随着社会快速发展的过程中，不断完善智能小区中通信系统，从而带给用户更好的居住体验。

参 考 文 献

[1] 林自庆，叶国超. 智能小区移动通信网络覆盖优化技术[J]. 中国新通信. 2015（18）

[2] 邹润生. 智能小区通信网络平台设计[J]. 通讯世界. 2000（09）

基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计 篇4

电力线载波通信英文简称PLC(Power Line Communication)，是指利用现有配电网络的电力线作为信号传输介质，实现数据传递和信息交换的一种技术，是电力系统特有的、基本的通信方式[1]。早在20世纪20年代，欧美已经把电力载波通信就开始应用到10kV配电网络线路通信中，并形成了相关的国际标准和国家标准[2,3]。对于低压配电网来说，通过电力线来传输用户用电数据信息，实现实时有效收集和统计，已经成为国内外公认的最佳方案。但在目前的实际应用中，由于我国电网环境恶劣，电力线信道高衰减强干扰和波动范围大等特点，导致数据采集的成功率和实时性不能完全满足实际通信的需求。近年来，随着数字信息技术的发展，例如扩频通信技术、数字信号处理技术以及网络中继和拓扑优化技术的发展，使得电力线载波通信在低压配电网的可用性和稳定性得到了很大程度的提高，目前电力线载波通信有着广阔的应用前景[4]。

1 智能照明系统原理

电力线载波通信技术具有无需额外架设通信线、电力线覆盖区域范围广泛和接入方便等优点，但是低压电力线设计主要功能是用于传输电能，因此对载波通信会造成极大的干扰，比如谐波干扰、负载变化大、信道环境复杂等[5]。这导致电力载波通信技术应用在一定程度上受到限制。考虑到城市街道和高速公路的路灯用电线路为专有线路，其负载通常为单一类型路灯，比如LED灯或者高压钠灯。而且在每条路灯线路起始供电端都安装有独立的配电柜。线路干扰大大降低，负载阻抗变化也相对微弱，因此电力载波通信技术应用在路灯控制领域具有极高的可行性[6]。目前低压电力线载波通信技术已经应用在智能电表抄表系统领域，其组网特点大多基于树形结构，抄表系统对于通信的实时性和可靠性要求相对较低，通常只需要集中控制器能在12小时内与路灯终端实现通信一次，对于实时性和可靠性要求较高的区域路灯控制系统显然不适用[7]。

针对以上两种情况，本文设计研究了一种基于电力线载波的道路智能照明系统，结合以太网技术与云技术实现对区域内的路灯进行实时监控和管理[8]。该系统包括路灯、终端控制器、集中控制器、路灯管理中心客户端和服务器、云端服务器等几部分组成。

系统示意图如图1所示。

智能照明系统的路灯必须选择可调光的LED灯或者高压钠灯作为灯源。

终端控制器主要实现对区域内每个节点的路灯进行管理，亦可以称为节点控制器。可以实现对所安装路灯开、关以及电参数的检测、自动对路灯进行亮度调节和与集中控制器实现通信的功能。

集中控制器主要对区域内的终端控制器进行管理。产品基于Linux嵌入式操作系统平台，在系统内内置了路灯的策略分组管理软件。可以根据区域内路灯现场情况自动对区域内路灯组网，进行网络拓扑优化、策略分组和中继路由管理，从而实现组网通信的优化。内置的数据采集软件可以对路灯电量参数采集并处理。

系统采用最新的云计算技术解决了城市路灯管理数据量大、情况复杂的难题。客户端在以太网通信联通的情况下通过网络浏览器浏览免费的GIS地图搜索到要配置的路灯的地理位置信息。实现对路段内的路灯距离、位置等配置。从而实现了路灯安装管理的优化。路灯管理中心与区域集中控制器在网络通信正常情况下可以在客户端根据特定的要求对集中控制器和终端控制器进行参数设定和修改。系统客户端与路灯管理中心服务器之间采用以太网通信。集中控制器Linux操作系统内置的数据搜集软件搜集到的每一盏单灯工作情况数据在集中控制器内进行数据压缩打包。然后通过数据库软件My SQL把集中控制器内存储的数据以邮件的形式传送到云端服务器，在城市云端服务器实现数据的解析和存储。而区域路灯管理中心服务器可以通过访问云端服务器实现对所在区域路灯的工作情况的实时监控。考虑到路灯系统的安全性和稳定性，该系统设计了一套备用通信方案。在路灯集中控制器和区域路灯管理中心3G无线网络中断的情况下也可以采用备用的GPRS通信方式来实现数据的传输。

2 系统硬件设计

本文所研究的智能照明系统硬件包括集中控制器、终端控制器、路灯终端几部分。其中路灯可以选择可调光的LED灯或者高压钠灯。由于经单灯控制器滤波后输出为交流电源，而LED灯是有直流电源供电。因此必须在LED灯前端选择相匹配的驱动电源来对LED灯进行供电。

2.1 集中器设计

集中控制器是基于ARM的平台，主芯片选用32位的AT91RM9200芯片。集中控制器主要包括主模块MCU单元、电力载波模块单元、程序存储单元、串口通信模块单元、程序烧写调试模块、以太网通信模块、GPRS模块、状态指示灯以及三相电力载波接口模块组成[9]。集中控制器可以实现对区域内的终端控制器进行管理配置功能、3G无线通信功能、GPRS通信功能等。是连接每一盏单灯与路灯管理中心服务器的中间纽带。组成结构如图2所示。

路灯管理中心在客户端对集中控制器和区域内的路灯相关参数进行配置，配置完成后把程序下载到集中控制器嵌入式操作系统中。集中控制器内部基于Linux操作系统的路灯组网软件对路灯通信进行自动组网并优化。以实现路灯通信和控制的最优化。由于集中控制器的Linux的操作系统平台具有程序管理功能，从而实现了在集中控制器与网络管理中心通信中断情况下仍可实现区域内路灯的自动管理。此外，载波模块交流过零中断技术实现了三相电缺相检测，一旦发现缺相，及时报告管理中心，实现了集中器与控制终端和远程管理中心的快速、可靠通信。

考虑到每一天太阳升起的落下的时间不同，现有的路灯管理系统大多没有实现路灯开、关与太阳落下、升起同步[10]。本文所设计的系统在对集中控制器进行配置时将路灯所在区域一年中每一天太阳升起和落下的数据存储在集中控制器中，并通过自主开发的基于Linux系统的时间管理软件对数据自动进行管理。解决了路灯开启、关闭与太阳落下、升起同步的问题。

2.2 终端控制器设计

终端控制器也是基于ARM的平台，主芯片选用的是STM32F100RC芯片。终端控制器主要由从站MCU、电力载波模块、电源模块、电参数测量模块、调光模块、传感器模块、开关控制模块、指示灯模块几部分组成。

终端控制器主要实现对每一盏路灯的管理，路灯可以是LED灯或者高压钠灯等可调光光源。终端控制器实现对路灯的开关和调光的直接管理工作，以及亮度自动调节、电量参数的计量以及与集中控制器进行通信等功能。

结构图如图3所示。

城市在深夜和凌晨绝大多数路段行人和车辆很少经过，此时路灯整晚点亮将造成巨大的用电浪费。而当前路灯控制系统基本没有在此处进行有效的能源管理。本文所研究的智能照明系统在终端控制器硬件中加入了调光模块和传感器模块。当深夜道路上车辆和行人较少的时候，红外探测技术将检测到的信号传送给终端控制器中的微控制器模块，信号经过微控制器处理后通过调光模块对路灯亮度进行调节，当车辆和行人临近时候提高路灯亮度，从而解决了路上行人和车辆很少时候路灯却一直处于最大功率点亮状态造成的浪费问题。

调光模块包括两种调光方式:一种是PWM调光，通过改变脉冲占空比实现对路灯亮度的调节，另一种是DA调光，输出电压是0～10V，通过输出模拟量实现对路灯亮度的调节。将来可以在此路灯控制功能的基础上增加新的功能，如根据人体红外检测来控制灯光跟踪行人、增加视频监控功能并通过路灯控制网络传输到以太网实现报警、统计经过路灯下方的车辆流量等功能。

电参数模块可以实现对每一盏路灯用电情况的实时监控并存储在终端控制器的存储器中。通过路灯局域网络把这些参数传递到集中控制器中，再通过以太网把集中控制器管理区域内的路灯开、关工作情况、电压、电流、功率、功率因素、电量等参数传递到云端服务器，客户端只需要在网络通信正常情况下对云端服务器进行访问就可以实现对区域内路灯的智能化管理。

3 系统软件设计

智能照明系统软件设计包括路灯网络管理中心客户端与集中控制器之间的通信和集中控制器与终端控制器之间的通信两部分组成。

如图4所示，客户端与路灯光里中心采用B/S架构(Browser/Server架构)，即浏览器和服务器结构。在这种结构下，用户工作界面是通过客户端浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现，主要事务逻辑在路灯管理中心服务器端(Server)或网络云服务器，形成所谓三层结构。大大就简化了客户端电脑工作载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体使用成本。局域网建立B/S架构的网络应用，通过Internet/Intranet模式下数据库应用，相对易于把握、成本也是相对较低的。它是一次性到位的开发，能实现不同的人员在从不同的地点，通过不同的接入方式(比如LAN,WAN,Internet/Intranet等)访问和操作共同的数据库;从而实现有效的管理访问权限和保护数据平台。

集中控制器与终端控制器之间通信采用电力线载波进行通信。定义终端控制器将采集到的电参数传递到集中控制器为系统上行通信，集中控制器对区域内的终端控制器进行配置时为系统下行通信。路灯管理中心的配置系统通信流程图如图5所示。

4 测试与分析

系统设计了终端控制器、集中控制器、路灯管理上位机软件。已经在实验室环境下搭建了微型实验系统进行了通信测试，系统组成由一台服务器作为路灯管理中心服务器，一台笔记本用于客户端访问服务器，其他设备包括阻波器、一台集中控制器、九个终端控制器和九盏LED灯以及功率匹配的驱动电源。实验包括调光和开关控制通信可靠性测试、电参数采集、红外检测有效性等工作。在三个月内进行了五组实验，验证了系统可以可靠实现对灯开关、调光、电参数计量等功能。实验测试所得数据如表1所示。

5 结束语

近年在国家节能减排政策的大力号召下，国内外一些科研院所和企业对低压电力线载波进行了大量的研究。但是国内外电网环境差异巨大，开发出适应国内电网结构和环境的路灯控制系统将是一个巨大的市场。本文所研究的路灯控制系统已经完成了在实验室环境下的测试，鉴于实验室电网环境相对纯洁，下一阶段将在户外工程应用时进行系统整体性能的检验。将对多级中继通信和自动路由性能可靠性进行验证。

参考文献

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基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计 篇5

关键词：电力载波通信,SC1128,单片机,山区通信

电力线载波通信技术广泛应用于照明控制、自动抄表、电力系统遥控遥测等方面[1,2],通过当前线路完成数据的传输与控制,既无需重新进行布线,还可以节省系统成本、方便实用。针对偏远山区,建设通信系统成本高,且维护困难的特点,利用固有的电力线作为通信介质是一种理想的选择[3,4]。但由于电力线加载了幅度较大的50 Hz交流信号及其诸多谐波成分,使得信道环境特殊,这对实现高效通信存在难度。如何以现有电力线路为介质,实现信息的高速高效传递,目前已经成为研究热点和方向[5,6]。

1 系统的结构和工作原理

系统主要研究在山区环境下,利用电力线传输通信和控制信号,结构如图1所示。电力载波控制系统主要包括电力线通信调制解调模块(SC1128模块)、单片机控制模块、串行通信接口、电力线接口等[7,8]。SC1128芯片是该系统的核心。由电力线的信号传递到SC1128模块,然后再由SC1128模块通过串口和其他系统进行连接。

2 硬件的组成和接口通信原理

2.1 SC1128电力线载波调制解调芯片

作为专用扩频调制解调器电路,SC1128电力线载波调制解调芯片,由智源利与微电子公司开发研制。其使用直接序列扩频、直接数字频率合成、数字信号处理等全新技术,具有较强的抗衰减和抗干扰性能。

2.2 单片机和SC1128接口电路

单片机与SC1128芯片的接口电路如图2所示[9]。其中SETCLK是设置时钟输入端,CS是片选输入端,LINE是串行数据输出或输入端,发射数据、接收数据由SR、TX以及SYN进行。SR=1时,电路进入发射状态;SR=0时,电路进入接收状态。在发射状态下,SR端被置高,此时SC1128芯片将发射出同步脉冲信号,单片机便通过TX端将数据同步发出;在接收状态下,SR端被置低,此时SC1128芯片会接收到信号,并产生同步脉冲信号,随后由TX端将数据同步发送到单片机。在这种情况下,当SR为低电平状态,SYN输出也为低电平状态。

2.3 电力线耦合接口电路

耦合接口电路是SC1128模块与电力线之间的接口电路,可以输入或输出载波信号,同时还可隔离220 V/50 Hz的交流信号。耦合电路如图3所示,主要由瞬时电压抑制器TVS、耦合变压器T与D1、D2箝位二级管等构成,200 V线路一侧的阻抗介于3～30 Ω之间。输入端和浪涌保护二极管相连接,通过电阻隔离和二极管的箝位电路输出到前级滤波电路中。这样,通过耦合进入电力线的波形便类似于正弦波。耦合变压器和C8就构成了LC回路,这样波形就可通过调整C8的值和T1的匝数进行调整[10]。

3 软件设计

初始化SC1128主要是通过设置寄存器的工作和收发状态,若使用中断,必须和通信进行配合。首先对通信状态进行设置,然后再进行相应中断的开放。在进行收发设置时,首先必须使接收端工作,然后才允许发送端工作,这样则不会导致数据丢失,如图4所示。

4 系统测试

计算机端经串口发送数据FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,68H,图5(a)为SC1128模块38脚信号波形图。通过扩频调制,耦合到电力线前信号的波形如图5(b)所示,其载波频率是250 kHz。通过波形图,能够得出以下结论:发射的信号通过载波控制终端处理后产生近似正弦波信号,然后发射到电力线上,这保证了信号传输的可靠性。

经过接收端SC1128模块解调后输出数据为FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,68H,与发送端一致。

5 结束语

文中通过电力载波调制解调芯片SC1128,实现了电力线的可靠通信。该系统利用固有的电力线路,成本低、组网灵活,对于山区中,山顶天线和山底相关设备之间的通信匹配良好,具有广泛的应用前景。

参考文献

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基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计 篇6

关键词：SENS-01通讯模块,VB显示界面

引言

近年来随着电力载波通信技术 (Power Line Carrier, PLC) 的发展, 电力载波通信已大量应用于工业生产及日常生活, 如基于电力载波的远程抄表系统、电源监控系统、路灯控制系统、家居网络、病人体温测量系统等。

电力载波通信是利用高压电力线、中压电力线或低压配电线作为信息传输媒介进行数据信息传输的一种通信方式。它通过已经存在的供电网络实现不同的信息传输需求。由于供电网络本身是一种方便、低成本、高可靠性的通信媒介, 使得电力载波通信变得方便、低成本、易实现。本文主要介绍一种将低压电力载波技术应用于室内温度的数据采集系统。该系统利用低压供电线路, 将数据采集节点所采集到的室内温度通过转换器传输给上位机, 从而完成对室内温度远程监测的功能。

系统总体结构

系统网络组成

多点温度采集系统主要由主机控制系统和分别设置在室内的节点测温装置组成。主机系统包括转换器 (实现电力载波数据与485数据的转换功能) 与上位机控制软件。通过主机控制系统发送与接收命令, 电力线传输数据, 节点测温装置执行命令, 以此组成整个信息交互网络。系统的总体结构如图1所示。

电力载波通讯即PLC, 是英文Power Line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式, 电力载波通讯是指利用现有电力线, 通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。电力线载波通信的工作原理就是把自动化设施中的有效数据通过调制解调器调制后耦合到电力线上, 然后经过电力线传输到对端的数据解调器上, 再由对端数据解调器把信号解调出来传输给对端自动化设备。因此电力线不仅具有供电的功能还提供了一种信息通信的手段。

在传统有线传输技术中, 每当需要新的通讯对象时, 都要铺设新的通讯线路, 而且铺设新的线路会牵扯到很多方方面面的内容, 比如与原有线路是否有冲突, 材料的选择等, 且由于铺设所带来的成本更是一笔不菲的支出, 当以后需要修改线路的时候, 又带来大量的成本和时间的浪费。在本系统中, 只要有电力线就能实现信号传输, 当需要使用的时候, 就把载波模块安装在需测温的室内即可, 当发现需要更换测量不同房间温度的时候, 只要改变载波模块的安装位置即可, 十分的方便快捷。本系统不仅抗干扰性强, 传输距离远 (有效传输距离一千米) , 而且在成本上也远远小于无线传输技术。

载波模块硬件框架

该硬件主要利用高性能SENS-01电力载波通信模块 (P o w e r l i n e Tr a n s c e i v e r) 来进行信息间传输, S E N S-0 1嵌入式电力线载波模块提供半双工通信功能, 可以在220V/110V, 50/60Hz电力线上实现局域通信。该款产品具有通信速率高, 通讯可靠, 抗杂波干扰能力强, 通讯距离远等特点, 是专门为适应中国国内电力线应用环境而研发的高性能电力线载波通讯产品。本电力线通信模块内含各个外围复杂电路 (如图2所示) , 只需连接电力线即可。

过零检测电路

在此模块中, 主要是采用三极管驱动发光二极管, 同时在接收端加上拉电阻进行过零检测, 来判断信号相位, 与检波电路一起实现过零信号接收功能。该电路采用了光耦过零检测电路 (如图3所示) , 使后面电路不直接接触220V电, 最大程度保证后面电路与用户的安全性。

调制输出电路

当数据需要通过电力线传输出去时, 通过调制输出电路 (如图4所示) , 将信号耦合到电力线上。在本模块中, 采用互补推挽放大器来增强驱动能力, 提供大电流。Q3管接入Q2管和Q4管的基极, 以此作为推动信号, 由于两只三极管的极性不同, 基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置, 一个是反向偏置。当输入信号为正半周时, 两管基极同时电压升高, 此时输入信号电压给Q4管加上正向偏置电压, 所以该管进入导通和放大状态。由于基极电压升高, 对Q2管来讲加上反向偏置电压, 所以该管处于截止状态。输入信号变化到负半周后, 刚好处于相反状态。两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。再经过一个电容滤掉直流成分和限幅稳压管稳定电压, 即可通过变压器接入电力线上。

检波输入电路

在本模块中, 主要采取290k检波电路 (如图5所示) , 来实现从电力线中不失真地检出调制信号 (如图6所示) 。当信号经过变压器降压后, 接入检波电路, 实现信号解调的作用, 再经过两个稳压二极管, 实现限幅的作用, 防止过电压通入载波模块的I/O口。在图6中可看到当接入信号源后, 在输出端口, 获得了290kHz的检波频率。

系统软件框架

软件系统框架设计

本系统由上位机软件系统, 转换器控制系统与节点控制系统构成。其中以上位机软件系统为核心。多个节点控制器通过电力线与上位机系统进行数据间交互传输。其中转换器控制系统与上位机的数据交互通过串口采用Modbus协议进行安全性传输, 在保证数据传输可靠性的同时方便用户根据自己的需求自行定制上位机软件。各个分机根据自己的站号来回应主机的查询信息。上位机主要工作是对各个分机控制器的状态信息进行综合分析, 处理和显示等工作。工作原理如图7所示。

上位机软件系统

此系统主要采用VB编写上位机软件, 内嵌Modbus传输协议, 自行编写人机交互软件, 在确保系统稳定的前提下, 精简代码, 设定算法, 防止数据的丢失与处理, 提高了系统的安全性。

在本系统中, 主要使用了01 (读线圈) , 03 (读保持寄存器) , 05 (写单个线圈) 功能码, 其中域名指的就是每一台机号, 每一次数据包将以20个字节发送, 数据不足20, 系统自动补0。

例如: (1) 读取分机05的继电器01状态 (1=ON, 0=OFF) , 假设为0FF即为关的状态。当需要读取分机上多个继电器状态时, 只需修改输出数量的大小即可。当分机收到数据后, 查询本机的继电器状态, 再将信息发还给主机, 完成这次主机的请求命令。其示例功能码如表1所示。

(2) 读取分机05的寄存器01-02 (即测量温度和湿度) , 假设分别为28.5°, 50.7H.分机控制器会将测得温度的整数部分放在寄存器高位;将其小数部分放在寄存器低位。对湿度也是同样的操作, 在整个系统中温度的单位是摄氏度, 湿度的单位是相对湿度。当主机接收到数据后, 即对其进行反操作, 即能获得测量值。其示例功能码如表2所示。

(3) 命令分机05打开继电器01 (以十六进制FF00代表ON, 十六进制0000代表OFF) 。分机相应命令的域名应为当前分机的分机号, 使该数据只能被转换机接收。其示例功能码如表3所示。

上位机软件内包含信号的发送和信号的接收处理。其功能主要是两路单独的电力载波查询, 以及一路定时自动查询节点的状态。当发送一次命令, 在200ms内没有收到回复命令, 则软件将自动重新再发送一次命令, 如果还是没有回复, 则在用户界面上提示该与节点通信出现故障。当通信正常, 主机可采集节点上所测得的温湿度, 并在上位机界面上显示。

用户界面如图8所示。

转换器和节点控制器软件设计

转换器的功能主要包括实现与上位机485通信, 将上位机的查询信息耦合到电力线上, 同时也将接收来自电力线上的数据, 采用Modbus协议的形式通过485传输到上位机上进行数据的综合处理。

节点控制器的功能为辅助测温装置检测室内温度, 并响应主机的查询控制命令, 执行相应的命令操作。

本软件设计采用的是一呼一答的通讯形式, 即每个节点皆有属于自己的机号, 每次主机同时呼叫所有电力线上的节点控制器, 但只有符合呼叫机号的分机才会响应该次呼叫。转换器和节点间通过电力线进行数据的交互。其转换器的软件流程图如图9所示。

结束语

在系统设计中, 考虑了现场遇到的各种实际情况, 并且对系统进行相应的设计和完善, 系统完成了温度数据采集的基本功能。同时, 利用电力线信号传输载体, 不必对现场重新布线和规划, 同时也克服了无线传输信号不稳定的弊端, 系统安装简单方便, 易于大范围推广。同时, 该系统迎合了关于节能减排的政策要求, 具有良好的市场前景和使用价值。克服传统低压电力线通信方式的缺点, 根据测试结果, 现场应用效果基本达到通信要求。同时现有系统上有较多的模块集成, 可充分利用现有的技术和资源, 增加新功能。本系统对于在低压电力线上进行数据通信是一种有益的探索和有较好效果的新技术应用。对于今后基于系统基本通信功能上的其他更多功能的扩展设计应用, 有一定的参考价值。

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基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计 篇7

近距离的单片机通信采用总线方式即可实现, 远距离的单片机通信不能采用这种方式, 寻找一种即可远距离传输, 又保证安全可靠的通信方式很重要。电力线载波通信技术 (PLC) , 是指利用已有的配电网作为传输媒介, 实现数据传递和信息交换的一种技术。它能够充分利用最为普及的电力线网络资源, 具有覆盖范围广、建设速度快、投资少、用电器可以直接作为网络终端等特点。低压配电网PLC技术根据数据传输速率可以分为低速和高速两种, 低速PLC的数据传输速率小于1Mbit/s, 目前技术比较成熟, 而且已经有相应标准对其载波频进行了规定, 中国电力线载波通信频带规定为3-500KHz。窄带电力线载波技术由于数据传输速率较低, 目前用于工业控制、配电自动化、楼宇自动化等。双音频 (DTMF) 技术以其较强的抗干扰能力和较低的误码率低等优点, 是一种较为常用的通信方式。因此以电力线为传输介质, 使用双音频通信方式实现单片机远距离通信是很有价值的。双音频收发电路的设计和应用、通信传输协议的制定以及单片机的软件设计是本系统设计的关键。本文着重介绍单片机的软件设计。

系统结构

系统的基本结构如图1所示, 本系统采用巡回检测的方式实现多路检测报警, 并通过USB接口连接到PC机, 用VB报警界面集中监控显示。首先, 可以根据防盗区的需求有规律地设置多路报警检测点 (本系统可设置多达256个) , 即前端检测电路。其次, 由中心控制系统的单片机有顺序地向前端发送检测信号, 当某个前端被检测到时, 会通过前端单片机向中心控制系统发回自己的代码并附上有无报警信息, 如果有报警, 中心控制系统就通过USB接口将数据传送给PC机, VB界面上会显示相应报警点, 并把报警时间和报警点编号记录下来, 接着就继续检测下一个检测点, 否则就直接转去检测下一个检测点。但当中心控制系统向前端发送检测信号时, 如果等待某一段时间后前端无应答时, 就报出错信息。如此周而复始, 以达到对防盗区域内的有效监控。

本系统用软件设置发送与接收是分时的, 可以避免控制信号和检测信号相互干扰, 影响系统工作的正确性, 又可减少硬件开销, 顺利实现双音频信号的双向传输。还利用全速USB设备接口连接到PC机, 既插即用, 使用方便。用PC机的VB界面进行报警, 直观明了, 还可利用PC机的存储记忆功能, 使本系统更完善可靠。

本系统的功能指标为:

·256个点巡回检测。

·用220V低压电力线传输信息。

·巡回检测一次所有的前端的时间不超过1分钟。

·前端检测部分热释电人体红外传感器电路的感应距离在10米, 感应持续时间为10s。

·PC监视界面能给出无报警、报警、故障三种状态的指标, 并能以文本的格式存储报警信息。

通信传输协议

为实现电力线载波通信的顺利进行, 特制定如下传输协议:中心单片机控制信息的数据格式为:“#+目标地址+*”, 前端单片机返回检测信息的数据格式为:“本机地址+#或本机地址+*”。由于本系统采用巡回检测的方式, 所以中心发送命令时要附上目标地址, 前端接受信息时要与本机地址进行核对, 以备前端判别是否要回送数据, 中心接收前端返回的检测信息时, 也要与发送出去的目标地址进行核对, 以备中心判别是否其正在等待的信息。

单片机软件设计

前端单片机软件

前端检测系统的程序流程图如图2所示。本机地址设为*000#, 分别存放到内存单元30H、3 1 H、32H、33H、34H。单片机AT89C2051从P3口读入五组8421代码。经过密码校验, 如果密码正确, 则检测P3.7口是否为低电平, 如果是低电平就向中心发送报警信号“000#”, 否则就发送“000*”。如果密码不正确, 前端就等待中心发送下一个检测信号的命令。每发送一个代码, 都要调用一次延时子程序, 这是为了有足够的时间进行编码和有足够的时间进行译码, 实验测得25ms的延时是比较可靠的。

中心单片机软件

中心控制系统的程序流程图如图3所示。由主程序、检测命令发送子程序、密码校对子程序、25ms延时子程序、USB中断处理子程序组成。中心单片机发出五位检测命令代码后, 启动100ms的TO中断, 如果在这段时间内没接收到前端的返回信息, 中心就认定该前端出现故障, 如果接收到信息, 中心单片机先对前三位代码与内存单元中的目标地址进行一一校对, 一致的话则继续判断下一位, 最后判断地4位的报警状态, 并通过USB接口发送数据给PC几的应用程序进行处理。接着中心继续发送检测下一个前端的命令。在程序中设置了大循环和小循环, 目的是小循环完成以后装入下一个检测前端设定值, 以保证有异常输入时, 系统延迟一定的时间后自动恢复正常工作, 当中心控制需要通过USB接口向PC发送数据时, 只要调用中断数据发送子程序, 执行三条语句就可以了。

结语

本系统设计的电路, 性能稳定、工作可靠、运转正常, 能成功实现了单片机的双向通信。基于双音频信号传输的电力线载波通信系统为单片机远距离通信提供了一种方法。

摘要：简述电力线载波系统中的单片机程序设计。

关键词：DTMF,电力线载波,USB,单片机远距离通信

参考文献

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