金鑫 陈存广 王帅宇 李志刚
摘 要： 在电力线载波通信的基础上提出了家用安防系统的远程接收控制端的设计方案，该方案中单片机通过串行口与载波模块通信完成接收远程控制信号，并对家用安防设备进行通信和智能监控，实现了远程监控和集中管理的目的。
关键词： 电力线载波； 家用安防系统； 智能控制； 信号耦合
中图分类号： TN913.6?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0100?03
0 引 言
步入21世纪，随着网络、信息、自动控制技术和微电子在家用安防系统的应用，各类家用安防系统对智能化的要求也呈现出多样性，包括安装方便、通信可靠、智能的信息处理终端设备、自动化和智能化，家庭网络智能化势在必行[1]。
电力线载波通信技术，是指借助于现有电力线，传输数字信号和模拟信号（图像信号和话音）的一种高速数据通信技术。只要是电力网达到的地方，就可以利用电力线载波技术将低压控制信号加载到电力线上进行传输，复用现有电力线广泛的网络资源[2?3]。由于它具有广泛覆盖、不用二次布线、功能强大、节省费用、使用方便、易于扩展和安装等显著特点，利用220 V低压电力线进行通信的价值越来越为人们所重视。本文依靠电力线载波通信技术，开发一款以单片机为控制芯片的家用安防设备远程自动化控制系统。
1 系统方案与工作原理
系统方案框图如图1所示，主要由控制部分、单片机和接收载波模块三部分组成。控制部分的工作是由单片机控制，通过单片机UART口与接收载波模块部分进行通信。
图1 系统方案结构图
载波模块接收到来自远程控制端信号后，把信息传给单片机。当单片机接收到控制信号后，执行相应的操作，从而达到对不同家用安防设备通信和控制的目的，同时单片机还可以把家用安防设备的状态反馈给远端控制者。控制部分完成对不同家用安防设备和智能家具接口的通信和控制功能。本文主要完成的是载波通信部分的设计。
2 载波接收模块设计
载波通信模块能否进行准确工作的关键是调制解调技术，本文设计的载波通信模块使用的是扩频通信技术[4]（SSC），扩频通信芯片采用PLCi36C，采用全双工模式，信号耦合电路分为信号发送部分和信号接收部分，其工作原理图如图2所示。
图2 载波通信工作原理框图
2.1 信号耦合电路
载波通信的中心频率为270 kHz，根据此要求设计信号耦合电路 [5]，如图3所示。
信号耦合电路的设计是载波通信的重要部分，它是客户端数据在电力线（Powerline）传输的关键部分。该部分电路的主要功能为：瞬时电压脉冲抑制（例如：电网自身产生的浪涌和尖峰电压、雷击对电网造成的过压、及空间静电放电引起的尖峰电压等）；滤除220 V AC/50 Hz（或110 V AC/60 Hz）交流信号；快速将发射信号加载到电力线，并提供发射功率，使输出信号的电平和谐波电平均满足相关技术要求；最小衰减有用信号，并保证最佳接收；良好的带通滤波功能，最大限度地抑制电力线上的噪声干扰。
2.2 发射部分电路组成
发射部分电路的主要功能是高效输出功率信号，并在电力线上加载调频信号。其电路主要由以下几部分组成：谐振功率放大器、扩频调制信号输入和信号耦合电路。电路原理图如图4所示。
图3 载波信号耦合电路
图4 载波信号发送电路
首先由载波芯片（ES16U）的13脚发出初步处理后的信号，此时载波信号已经被调制成数字信号，其中心频率为270 kΩ。然后，经过电阻[（R10）]限流后，送入三极管[（T1）]进行放大，此时信号被调制成正弦交流信号。为了防止引起干扰，设计阻抗无穷大的并联谐振电路把信号端与电源端进行隔离，由电感[（L4）]和电容[（C16）]组成。同时，电感[（L4）]又给三极管[（T1）]提供必要的工作电流，保证三极管[（T1）]的稳定工作。 最后，放大后的调制信号经电容[（C15）]后进入中周的4脚，由中周进行阻抗变换和耦合，并将将调制好的270 kHz信号加载到电力线。
2.3 接收电路组成
信号接收电路的主要功能是把接收到的电力线载波扩频信号解调成模拟信号，信号接收电路由三部分组成：信号耦合电路、带通滤波器BPF和模拟前端AFE。信号接收电路原理图如图5所示。
首先，中周的次级输出载波信号，经过限流电阻[（R6）]进入选频网络。电感[（L1）]和电容[（C9）]组成串联谐振电路，电感[（L2）]和电容[（C10）]组成并联谐振电路，两个谐振电路组成选频网络，对载波信号进行选频。为了防止电压过高，加入限幅电路（VD7，VD8），确保信号的电压为2 V左右。信号经过选频后，进入模拟前端信号处理电路，该部分电路核心器件为混频器（AFE3361），其内部集成限幅电路，放大电路，混频电路及信号整形电路。混频器（AFE3361）的16脚为载波信号输入脚，1脚为本振信号输入。载波芯片送出185 kHz的标准数字信号，经过由电感[（L3）]和电容[（C14）]组成的并联谐振电路，调制成185 kHz的正弦波本振信号，输入到混频器（AFE3361）的1脚。本振信号与载波信号进行混频，被调制成455 kHz混频信号。455 kHz混频信号由陶瓷滤波器[（Z1）]滤波后，由混频器（AFE3361）的5脚，二次放大后，由混频器（AFE3361）的9脚输出，然后经滤波后与混频器（AFE3361）的10脚送入电压比较器，由混频器（AFE3361）的11脚为比较器的输出端。最后，由（AFE3361）的13脚输出处理后的信号，送入载波芯片（ES16U），其他工作由载波芯片在内部进行处理，完成信号接收任务。
2.4 PLCi36C扩频通信芯片概述
扩频通信也是一种信号与信息的传输方式，其实质是扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技术特征是信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。扩频通信技术优点非常明显：抗多径干扰；误码率低；功率谱密度低，具有隐蔽性和截获概率低；保密性强；易于实现单码分多址。
在电力线载波通信中，常采用PLCi36C作为扩频芯片，用于电子终端设备之间的数据交换。PLCi36C的数据链路层通信协议符合高级数据链路控制（HDLC）通信协议，应用层通信协议完全兼容DL/T645?1997规范要求，在保证DL/T645?1997协议完整性的前提下，增加了DL/T645?1997对网络数据通信的支持[7]。
3 控制部分设计
3.1 电路组成分析
控制部分电路是面对应用对像设计的，它的核心是微处理器，大多采用单片机，当微处理器接收到来自电力线传来的信号后，根据协议完成相应的操作[8]。由于不是本论文的重点内容，控制过程这里不再详细叙述。控制部分电路如图6所示。
图6 控制部分电路
3.2 系统软件部分
软件采用C语言编写，主程序流程图和中断服务程序如图7所示。
4 结 语
本文利用低压电力线载波通信技术实现远程通信，具有布线方便、成本低、通信稳定、测点位置随时变换等诸多优点。本方案除了可以应用于家用安防系统之外，还可用于智能家具控制场合、蔬菜种植基地大棚、工业智能控制、医院护理等很多场合。随着载波通信技术的不断发展和完善，它必将为人们生活环境的改善带来一场新的革命。
图7 主程序和中断服务程序流程图
参考文献
[1] 吴明光，娄嘉骏.基于低压电力线载波技术的家庭网络[J].电力系统及其自动化学报，2003，15（5）：77?82.
[2] 赵伟.电力线载波通信系统指南[M].昆明：云南科技出版社，1983.
[3] 陈维千.电力线载波通信[M].北京：水利电力出版社，1989.
[4] 陈正石.扩频技术在电力线载波通信中的应用分析[J].电力系统通信，1998（1）：10?13.
[5] 朱长银.基于低压电力线扩频载波抄表技术的研究[D].南京：河海大学，2005.
[6] 王赞基，郭静波.电力线扩频载波通信技术及其应用[J].电力系统自动化，2000，24（21）：65?67.
[7] 青岛东软电脑技术有限公司.芯片手册PLCi36C[M].青岛：青岛东软电脑技术有限公司，2005.
[8] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.
[9] 徐爱钧.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京：电子工业出版社，2001.
[10] 何世彪，谭晓衡.扩频技术及其应用[M].北京：电子工业出版社，2007.
2.4 PLCi36C扩频通信芯片概述
扩频通信也是一种信号与信息的传输方式，其实质是扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技术特征是信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。扩频通信技术优点非常明显：抗多径干扰；误码率低；功率谱密度低，具有隐蔽性和截获概率低；保密性强；易于实现单码分多址。
在电力线载波通信中，常采用PLCi36C作为扩频芯片，用于电子终端设备之间的数据交换。PLCi36C的数据链路层通信协议符合高级数据链路控制（HDLC）通信协议，应用层通信协议完全兼容DL/T645?1997规范要求，在保证DL/T645?1997协议完整性的前提下，增加了DL/T645?1997对网络数据通信的支持[7]。
3 控制部分设计
3.1 电路组成分析
控制部分电路是面对应用对像设计的，它的核心是微处理器，大多采用单片机，当微处理器接收到来自电力线传来的信号后，根据协议完成相应的操作[8]。由于不是本论文的重点内容，控制过程这里不再详细叙述。控制部分电路如图6所示。
图6 控制部分电路
3.2 系统软件部分
软件采用C语言编写，主程序流程图和中断服务程序如图7所示。
4 结 语
本文利用低压电力线载波通信技术实现远程通信，具有布线方便、成本低、通信稳定、测点位置随时变换等诸多优点。本方案除了可以应用于家用安防系统之外，还可用于智能家具控制场合、蔬菜种植基地大棚、工业智能控制、医院护理等很多场合。随着载波通信技术的不断发展和完善，它必将为人们生活环境的改善带来一场新的革命。
图7 主程序和中断服务程序流程图
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2.4 PLCi36C扩频通信芯片概述
扩频通信也是一种信号与信息的传输方式，其实质是扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技术特征是信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。扩频通信技术优点非常明显：抗多径干扰；误码率低；功率谱密度低，具有隐蔽性和截获概率低；保密性强；易于实现单码分多址。
在电力线载波通信中，常采用PLCi36C作为扩频芯片，用于电子终端设备之间的数据交换。PLCi36C的数据链路层通信协议符合高级数据链路控制（HDLC）通信协议，应用层通信协议完全兼容DL/T645?1997规范要求，在保证DL/T645?1997协议完整性的前提下，增加了DL/T645?1997对网络数据通信的支持[7]。
3 控制部分设计
3.1 电路组成分析
控制部分电路是面对应用对像设计的，它的核心是微处理器，大多采用单片机，当微处理器接收到来自电力线传来的信号后，根据协议完成相应的操作[8]。由于不是本论文的重点内容，控制过程这里不再详细叙述。控制部分电路如图6所示。
图6 控制部分电路
3.2 系统软件部分
软件采用C语言编写，主程序流程图和中断服务程序如图7所示。
4 结 语
本文利用低压电力线载波通信技术实现远程通信，具有布线方便、成本低、通信稳定、测点位置随时变换等诸多优点。本方案除了可以应用于家用安防系统之外，还可用于智能家具控制场合、蔬菜种植基地大棚、工业智能控制、医院护理等很多场合。随着载波通信技术的不断发展和完善，它必将为人们生活环境的改善带来一场新的革命。
图7 主程序和中断服务程序流程图
参考文献
[1] 吴明光，娄嘉骏.基于低压电力线载波技术的家庭网络[J].电力系统及其自动化学报，2003，15（5）：77?82.
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[10] 何世彪，谭晓衡.扩频技术及其应用[M].北京：电子工业出版社，2007.
