基于电力载波通信的智能家居控制器设计

胡敦利，程凯鑫



基于电力载波通信的智能家居控制器设计

胡敦利，程凯鑫

摘要：介绍了控制器的硬件组成和软件设计原理。介绍了一种基于电力载波通信技术的ARM9嵌入式智能家居控制器的组成和工作原理。采用以ARM9为内核的处理器S3C2440为核心处理器，嵌入μC/OS-II实时操作系统。采用LonWorks总线技术建立LonWorks网络，实现系统信息交互。通信模块选用PL3120电力线智能收发器，通信介质为电力线。

关键词：电力载波；嵌入式；LonWorks 总线

程凯鑫（1989-），男，邢台，北方工业大学，硕士研究生，研究方向：智能家居，北京，100144

0　引言

电力载波通信是电力系统特有的通信方式，其利用电力线为通信介质，通过载波的方式进行信息传输[1]。与其它通信方式相比较，电力载波通信具有安装、维护方便和无需重新布线的优点，为通信系统的实现提供了很大的方便。嵌入式系统是以应用为中心，软、硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、功耗等综合性严格要求的专用系统设计。

本文采用LonWorks电力载波通信方式，采用ARM9嵌入式微处理器设计智能家居控制器，充分利用两者的长处，达到控制器安装无需重新布线，软件、硬件裁剪、添加简单方便，低功耗、低成本的要求。

1　硬件设计

本文设计两种控制器，门禁控制器和家电监测控制器。控制器硬件框架图如图1所示：

图1　门禁控制/电能监测控制器硬件框架图

电源模块提供3.3V、5V和12V直流电源，门禁控制/家电监测模块分别负责门禁管理和监测家电工作状态，S3C2440核心模块为主控制器，电力载波通讯模块负责网络通讯。

1.1S3C2440核心模块

本次采用天嵌科技TQ2400核心板设计S3C2440核心模块。TQ2440核心板采用S3C2440处理器，主频400MHz，板载64MBSDRAM、256MBNandFlash和2MBNorFlash[2]，同时集成晶振和3.3V转1.25V电源。在该核心板下，通过添加JTAG、复位、串口、USB和RTC电路组成S3C2440核心模块，然后再通过GPIO接口实现门禁控制器和家电监测控制设计。

1.2电力载波通讯模块

采用埃施朗公司的PL3120智能收发器作为通信主芯片，其内部集成3个处理单元和一个电力线收发器。电力线收发器采用BPSK调制，具有双载波频率，当主频率收到干扰后，自动切换到预备频率上工作[3]，如图2所示：

图2　网络接口电路

在图2中，电力线经过耦合电路与PL3120相连。其中VA为12V电源，为信号功率放大提供电压驱动。TXOUT发送网络信号，RXIN接收网络信号。图2中L、N分别连接电力线的火线和零线。

S3C2440与PL3120通过232串口进行通讯。S3C2440 的IO工作电压为3.3V，PL3120的工作电压为5V，所以两者的通讯必须经过电压转化。本文采用德州仪器的TXB0104双向电压电平转化器为电压转换芯片。TXB0104是一款4路双向电平转换器，可以为1.2V、1.5V、1.8V、2.5、3.3V 及5V等各种节点电压提供通用低电压双向转换功能。VCCA可以接受的电压范围为1.2V至3.6V，VCCB可接受电压范围为1.65V至5.55V[4]。在使用时，VCCB的电压不能小于VCCA电压。该芯片内置上拉电阻，无需外接上拉电阻。串口通讯原理图如图3所示：

图3　串口通讯原理图

其中TXD1和RXD1分别接在S3C2440的UART1的发送和接收引脚上（GPH4和GPH5）。

1.3门禁控制电路

门禁控制电路包括读卡器电路、电控锁控制电路和火灾、门磁监测电路。本设计采用的读卡器是PAR-100A。该读卡器发射频率为13.56MHz，工作电压9V～15V，工作电流60mA，读卡时间小于0.1秒，输出格式为18位～58位韦根信号。读卡器电路原理图如图4所示：

图4　读卡器电路设计

VDD12V为读卡器供电，WG0和WG1为读卡器韦根信号输出，EINT2和EINT3分别接S3C2440外部中断2和外部中断3（GPF2和GPF3）。

电控锁控制电路，DA0和DA1外接电控锁，如图5所示：

图5　火灾报警与门磁监测电路

火灾和门磁监测电路，如图6所示：

图6　电控锁电路

DA2和DA外接火灾报警器，DA4和DA5外接门磁，EINT0和EINT1分别接S3C2440外部中断0和外部中断1 （GPF0和GPF1）。

1.3家电监测电路

家电监测电路采用ADE7753作为电力采集芯片，采集电压和电流信息，从而计算电路功率，监测家电状态。ADE7753与S3C2440之间采用SPI通信方式进行通讯。家电监测电路原理图如图7所示：

图7　家电监测电路原理图

V1P和V1N接电流互感器，V2P和V2N接电压互感器。ADE7753工作电压为5V，需要经过TXB0104低压转换实现与S3C2440的SPI通讯。

2　软件设计

软件设计包括PL3120网络通讯程序和S3C2440主控程序设计两个部分。

2.1PL3120网络通讯设计

采用NeuronC编程语言设计，完成网络通讯功能，然后通过串口实现与S3C2440的通讯。程序流程如图8所示：

图8　网络通讯程序流程图

定义网络变量和IO对象，指定火灾报警网络变量为优先网络变量，可以优先访问通道，定义IO8为串口输入、IO10为串口输出，波特率4800bit/S。

2.2S3C2440主控软件设计

笔者根据不同的控制器分别设计门禁主控软件和家电监测主控软件。本文以门禁控制器为例，介绍软件设计。

μ C/OS-II介绍与移植

μ C/OS-II是一个实时内核，可用于8位、16位和32位处理器。其主要特点包括：代码公开，便于移植；可固化、可裁剪；占先式，总是运行就绪条件下优先级最高的任务；多任务，可管理64个任务；可确定性，函数调用和服务的执行时间可确定，不依赖与任务的多少[5]。

在μ C/OS-II源代码中，os_cpu.h、os_cpu.c和os_cpu_a.s是与CPU硬件环境相关的代码。其中，os_cpu.h中定义了与CPU相关的数据类型、变量和宏；os_cpu.c定义了与CPU有关的所用函数，如堆栈初始化函数、任务切换函数和时钟中断函数等等；os_cpu_a.s中是与底层硬件有关的汇编语言

代码。在移植过程中，必须根据S3C2440的硬件环境对os_cpu.h、os_cpu.c和os_cpu_a.s进行修改。然后，通过配置os_cfg.h指定系统功能函数，实现系统内核裁剪[6]。

2.3应用程序设计

程序中包括4个中断事件，中断优先级由高到低依次为：火灾事件、门磁事件、刷卡事件和串口事件。程序划分为3个任务，报警任务，刷卡任务和串口数据处理任务。其中报警任务完成火灾报警和门磁报警，具有最高任务优先级；刷卡任务负责判断卡号和开门；串口任务完成串口数据处理的工作，任务优先级最低。门禁主控程序流程图如图9所示：

图9　主控程序流程图

3　总结

采用该方案设计的智能家居控制器，在实验室中完成系统测试。门禁控制器完成对刷卡卡号、门状态、火警信息的实时监控、管理，家电监测控制器完成家电工作电压、电流的监测和工作状态监控和管理。系统中所有控制器采集的信息上传至上位机，并存储在上位机数据库中。上位机可完成信息显示、管理和对下位机控制器的操控。脱离上位机时，各个控制器可以独立运行，控制器与控制器之间的信息交互不受影响。

参考文献

[1] 周淑华.LonWorks电力载波技术应用研究与实践[J].仪器仪表标准化与计量,2011,5:33-35.

[2] 周林兵,杨玲玲,朱滔.基于TQ2440的物流揽件数据采集系统的设计[J].电子设计工程,2013,22:133-134.

[3] 吕豪杰,吴建德.基于LonWorks控制网的路灯监控系统[J].照明工程学报,2010,21(2):49-53.

[4] 德州仪器全新电压转换器件[J].电于技术应用,2007,10(2):32.

[5] 宋延昭.嵌入式操作系统介绍及选型原则[J].工业控制计算机,2005,18(7):41-42.

[6] 陈浩,郭利进.嵌入式电动汽车电池管理系统设计[J].电源技术.2013,37(8):1429-1434.

收稿日期：（2015.04.09）

作者简介：胡敦利（1976-），女，晋中，北方工业大学，副教授，研究方向：现场总线，北京，100144

文章编号：1007-757X(2015)12-0038-03

中图分类号：TP391

文献标志码：A