基于电力线通信的家庭网络技术

    目前，中国的智能家居系统以智能安防为主，正逐渐向家电的网络化控制延伸。如何更有效地解决安防、家电智能控制、上网等问题，逐渐成为研究的热点。电力线通信(Power Line Communication，PLC)，是指利用中、低压电力线作为通信介质，实现数据、语音、图像等综合业务传输的通信技术。利用PLC实现智能家居的网络化控制无需架线，不破坏住宅结构，连接方便、快捷，是智能家居网络化控制的理想选择。本系统采用Intcllon公司的INT5200芯片作为电力载波芯片，网络数据由与家电设备相连的电力线传送，并通过HomePlug协议实现交互，采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交频分复用技术进行调制解调，从而实现家电控制、PLC上网和家庭安防。

1 网络化控制系统的结构
    图l为PLC网络化控制系统的结构示意图。调制解调器为已有的ADSL或有线电视同轴电缆的Modem，PLC主控终端接收到Modem解调出来的网络信号后，将其转换为电力线通信的数据包，并进行加密、OFDM调制、D／A转换、放大等处理，然后通过耦合电路将电力线差分信号耦合到家庭的220V交流电力线的相线和中线上。这样，在家庭的任何一个电源插座处，均可通过耦合电路获得电力线差分信号；接着通过PLC局端通信接口对电力线信号进行滤波、A／D转换、增益调整、OFDM解调等处理；再将数据还原为标准的网络信息送到PC网卡，或者直接根据接收的信息内容，通过PLC局端的微处理器控制其他家电设备和安防控制设备。同理，PC、其他家电设备或安防控制设备的数据和状态信息，也可以按照相反的过程传到PLC主控终端，经过Modem发送到Internet网上，供远程用户使用。

2 智能家居系统的PLC主控终端
    PLC主控终端主要由主控终端接口和电力线耦合两部分组成。PLC主控终端的最主要功能是实现以太网数据包和电力包之间的相互转换，OFDM调制解调和信号与电力线的耦合。其中，主控终端接口由INT5200、以太网PHY芯片RTL8201BL、网络隔离变压器H1102、接收滤波电路和保护电路、发送驱动电路、E2PROM存储设备、LED状态指示部分以及电力线耦合电路等构成。其电路结构如图2所示。

    INT5200是一个集成电力线MAC层、PHY层和模拟前端(AFE)的收发器。INT5200采用正交频分多路复用(OFDM)调制解调技术，根据信噪比选择可用的载波频率，解决噪声源干扰和多路衰减等问题，在苛刻的电力线通信环境下实现高达14 Mbps的可靠传输。TNT5200的MAC层采用基于优先级的CSMA／CA机制和自动应答(ARQ)机制，并对以太网数据进行重新打包，实现数据包的可靠传输。INT5200集成的模拟前端(AFE)实现了信号的放大、滤波、A／D转换和D／A转换等功能。
    在PLC主控终端电路中，INT5200工作在主机模式。INT5200与RTL8201BL之间通过MII接口进行通信，收发以太网的数据包。MII接口提供独立的4位数据收发通道，RTL8201BL为INT5200提供同步时钟信号。MII接口具有两线串行数据管理接口(MII_MDCLK和MII_MDIO)，通过这个管理接口可以访问RTL820lBL的寄存器。当从电力线接收电力信息时，主控终端首先从220V电力线上通过耦合电路提取电力信息，再经过滤波、增益调整等处理，发送给INT5200。INT5200将接收到的电力信息进行解调等处理后，还原为以太网的数据包，并通过RTL8201和H1102发送给ADSL或有线电视同轴电缆的Modem。这样PLC主控终端就可以通过Modem与外部Internet相连。往电力线上发送数据信息的过程与接收过程相反。在向电力线耦合发送数据之前，考虑到信号传输过程中的衰减，要用驱动电路将发送信息放大到一定程度，以增强信号强度。E2PROM存储单元采用AT93C46，用来保存配置信息(包括MAC地址、网络密码、增益调整参数等)，并通过SPI接口与INT5200进行通信。LED指示灯用来显示网络的LINK、ACT等状态。
    要想通过220 V的家用电力线来传输数据，必须采取合适的耦合方式。在设计电力线的耦合方式时，须考虑到电力线通信环境的特殊性，同时要考虑到电力线的阻抗较低，一般为几十Ω。图3为PLC主控终端的电力线耦合电路，其中TXl+和TXl-用于连接图2中的驱动电路，是INT5200的电力数据信息发送端；RXl+和RX1-用于连接图2中滤波保护电路，是INT5200的电力数据信息接收端。在相线和中线之间并联一个压敏电阻器MOV(07D471)，可以防止电力线上的浪涌，避免系统受到损害。电容C和耦合变压器的次级构成高通滤波器，可以让电力数据信息通过，阻止交流电源的低频信号通过。当设备从电力线上脱离时，电阻R可以用来释放电容器中的能量。

3 智能家居系统的PLC局端
    PLC局端的作用：家电设备(如空调等)或安防控制没备可以通过PLC局端从电力线接收控制信息和反馈状态信息，实现与PLC主控终端的通信；通过PLC主控终端和借助Modem，就可以实现智能家电的远程监控和安防控制。计算机也可以通过这种方式实现上网。
    PLC局端电路包括PLC局端通信接口电路和电力线耦合电路。电力线耦合电路如图3所示，PLC局端通信接口电路的结构如图4所示。图中INT52OO工作在PHY模式，微处理器用S3C2510A。PLC主控终端通过Modem获取Internet远程控制信息后，通过电力线发送给PLC局端；PLC局端首先对耦合电路接收到的控制信息进行滤波，再经过INT5200进行增益调整、解调等处理后，通过MII接口将信息发送给S3C2510A；S3C2510A分析控制信息码，并根据控制信息码的内容，与智能家电的通信接口进行通信。这样，就可以实现智能家电的远程控制。同理，智能家电电可以将状态信息反馈给远程用户。由于家电设备的控制系统存在差异性，不同家电设备的PLC局端实现方法略有不同，主要体现在家电设备控制单元与S3C2510A的通信接口和控制协议上。家电设备控制单元可以通过串口或其他总线与S3C2510A进行通信。目前国家还未正式出台这方面的通信标准，采用什么样的具体接口和协议必须与家电设备生产厂商保持一致。同理，安防控制设备也可以通过上述方法，将家里的安防状态信息反馈给远程用户。远程用户也可以控制安防控制设备，进行相关安防控制。
    PLC局端中的S3C2510A具有2个独立的10／100Mbps的以太网控制器，这两个接口可以完成。IEEE802．3的MAC层处理。它的MII接口除了挂接INT5200(PHY模式)之外，还可以挂接一个以太网的PHY芯片RTL802lBL(如图4所示)。图中为了表述得更清楚一些，特将MII接口分开来画。在MII上挂接两个物理层芯片时，需要根据物理层的地址选择线来判断控制信息是发给INT5200(PHY模式)的，还是发给RTL820lBL的。图4中，RTL8201BL通过网线与计算机相连。这样，计算机通过PLC局端、电力线、PLC主控终端和Modem就可以实现PLC上网。

4 EMC测试结果
    本系统的PLC主控终端和PLC局端，按照GB9254-1998和GB/T17618-1998的测试方法，进行了电源端子骚扰电压，电信端口传导共模骚扰，辐射骚扰，上频磁场，射频电磁场，静电放电，电信端口和电源输入端口的注入电流、浪涌、脉冲群，电源输入端口的电压暂降、电压中断测试。测试结果符合国标要求，以下是PLC主控终端的部分实际测试结果。
    图5为电源端子骚扰电压的测试曲线。测试环境为23℃，69％TH，lOl kPa，按照GB9254-1998的测试方法进行测试。由图5可知，符合国标要求。

    图6为电磁场辐射骚扰的测试曲线。测试环境为23℃，63％TH，101．5 kPa，按照GB9254-1998测试方法进行测试。由图6可知，符合国标要求。

结语
    与其他通信方式相比，电力线网络通信有着明显的优势：电网的电力线覆盖面积最广；不需要另外铺设通信电缆，对已经装修的家庭用户来说，能提供极大的便利。利用高速的电力线网络通信技术，可以为智能家居系统提供良好的网络化通信平台，能推动数字家庭产业的快速发展，对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义，具有非常良好的市场前景。