电力载波通信在智能家居中的应用.docx

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电力载波通信在智能家居中的应用

摘要

本文通过本实验室做的一些电力载波项目的实例来说明电力载波通讯的硬件电路设计。

电力载波智能控制系统基于BWP08电力线载波芯片而设计开发。

电力线载波（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式,具有信息传输稳定可靠,路由合理、可同时复用信号等特点,同时电力线和信号线合一,无须铺设信号线,人们原来使用和维护电器的习惯都不受影响,家电只要在内部配备电力线载波通信芯片、更新程序,便可实现对原有家电的改造.由于家电的信息量小,电力线载波速度慢的缺点不突出,因此电力线载波通讯技术在家居智能化应用方面有着广泛的前景,特别是在中速率传输应用方面,因其具有可靠性高、造价低廉等优点,使其占有明显优势.由于现代通讯技术的发展,使电力线载波通讯成为可能.近几年,随着智能住宅小区的兴起,基于嵌入式系统的电力载波数据通信技术在智能小区,智能家居系统中得到应用.

关键词：

电力载波BWP08通信

Abstract

Inthispaper,thelaboratorypowerlinecarrierprojectexamplestoillustratethepowerlinecarriercommunicationhardwarecircuitdesign.PowerLineCarrierintelligentcontrolsystembasedBWP08powerlinecarrierchipdesignanddevelopment.Powerlinecarrier（PLC）isspecifictothepowersystem,thebasiccommunication,hasinformationtransmissionstableandreliable,routingreasonablesimultaneouslymultiplexedsignalsandotherfeaturesatthesametimethepowerlineandsignallineunity,withoutlayingsignalline,peopleturnedouttouseandhabitsarenotaffected,maintenanceofelectricalappliancesaslongasthein-housewithpowerlinecarriercommunicationchips,update,youcanachievethetransformationoftheoriginalappliances.Slowpowerlinecarrierdisadvantageofnotprominent,duetothesmallamountofinformationappliances,powerlinecarriercommunicationtechnologyhasabroadprospectintheintelligenthomeapplications,especiallyapplicationsintherateoftransmission,becauseofitshighreliability,lowcostetc,anditoccupiesadistinctadvantage.Duetothedevelopmentofmoderncommunicationstechnology,powerlinecarriercommunicationpossible.Inrecentyears,withtheriseofsmartresidentialarea,basedonpowerlinecarrierdatacommunicationtechnologyforembeddedsystemsinintelligentcommunity,intelligenthomesystems.

Keywords：

PowerLineCarrierBWP08Communicate

引言

电力载波通讯即PLC，是英文PowerlineCommunication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。

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。

它以电力线作为传输媒体,利用载波方式将模拟或数字信号变成高频信号,通过电力线实现远距离传输。

它具有传输距离远、通道可靠性高、安全保密性好、投资少见效快、与电网建设同步等优点,早已成为电力系统应用最广泛的通信方式。

它主要用于电网调度通信、复用远动、高频保护和远方跳闸信号等。

智能家居是一个系统，也是一个过程。

它是利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术，将与居家生活有关的各种设备有机地结合在一起，通过网络化的综合管理，让居家生活更轻松。

智能家居不仅具有传统的居住功能，而且不再是被动的，是具有能动性智能化的工具，提供全方位的信息交换功能，优化我们的生活方式和居住环境你，帮助我们有效地安排时间，节约各种能源，提供优质、高效、舒适、安全的生活空间……

在智能家居中存在一个信号传输，这个信号远程传输现在就是通过互联网来传输。

每一个家电都需要控制模块。

然后控制模块汇总到总控制模块，在各个家电控制模块与总控制模块信号传输的过程中会遇到线路多的问题。

恰好，电力载波通信可以解决这一问题，就简简单单的一根电力线就可以实现各模块间的通信。

1.电力载波通信技术概述

1.1电力载波通信技术简介

电力载波通信是利用电力线作为传输通道的载波通信，是电力系统特有的一种通信方式。

它根据频率搬移、频率分割原理，将原始信号对载波进行调制，搬移到不同的线路传输频带，送到电力线上进行传输。

由于通信所使用的频率一般在几百KHZ以上，因此可以避开50HZ工频电流的干扰。

和其他通信方式相比，具有投资少、施工期短、设备简单、通信安全、实时性好、无中继和通信距离长等一系列优点。

从六七十年代以来，利用10kV以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波电话已经获得广泛应用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。

但在220V/380V低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有很大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗大、信号衰减强、干扰大且时变大等特点。

因此，在使用电力线作为信号传输媒介之前，需要对它的信道特性进行分析。

1.2电力载波通信的基本原理和构成方法

电力线载波通信技术—PLCC（PowerLineCarrierCommunication）或PLC（PowerLineCommunication）：

是指利用电力线网络作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术。

电力线载波通信技术是电力系统特有的一种通信技术。

电力载波通信通过电力线载波数传模块将载有信息的高频信号加载到电力线上，用电力线进行数据传输，然后再通过电力线载波数传模块，将高频信号从电力线上分离出来传送到终端设备。

电力线载波数传模块在电力载波通信网络中承担着主机与节点、节点与节点间信息传输任务，起着运输枢纽作用，具体如图3-1所示

主

电力线载波数传模块

电力线

电力载波数传模块

电力载波数传模块

电力载波数传模块

节点节点

……

设备终端

设备终端

设备终端

图3-1

1.3电力线载波通信中信号传输特性分析

1.3.1低压电力线上输入阻抗及其变化

输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数，研究输入阻抗对于提高发送机的效率，增加网络的输入功率有重大意义。

理论和实验表明低压电力线上的输入阻抗不仅与传输信号的频率有关系，而且与低压电力线上所连接的负载有关系。

在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。

由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。

当电力线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。

但是，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。

由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难。

1.3.2低压电力上高频信号的衰减及其变化

高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际困难。

对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开。

因此，高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。

显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系。

总的来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。

但是，由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。

这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。

对于民用电网，其三相电源所接的负载大小和性质都不相同，所以同样强度的信号在三相电线上的衰减也不同。

这种现象有时就表现为虽然接收端和发送端的位置不变，但接在不同的相上，通信的误码率不同。

1.3.3低压电力线传输干扰特性分析

在低压电力线上进行数据通信时的另一个需要认真研究的重要问题是电力线上干扰的特殊性质。

电力线上的干扰可分为:

非人为干扰和人为干扰。

非人为干扰指的是一些自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰。

人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有严重的影响。

干扰可分为周期性的连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。

通常情况下，前两类干扰更为突出。

1.4常用的低压电力线载波通信技术

1.4.1窄带通信方式

窄带通信方式价格低廉并且较易实现，所以在以往的应用中比较常用。

但窄带技术的缺点是抗干扰能力较差，尽管窄带通信中的接收器具有较窄的通带，使得仅有一小部分噪声能进入接收器，但由于此类接收装置中的滤波器具有高品质因数，瞬间的脉冲噪声会使其发生自干扰，引起它对传输来的信号产生误操作;而使用低品质因数的滤波器又会使通带带宽加大，令更多的噪声进入接收器，所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性较差。

1.4.2多载波调制方式

多载波调制是一种多载频并传体制，其基本原理是将输入信息转换成多路并行信号，对相互完全正交的一组载波进行调制。

因此，多载波调制方式技术的实质是将时分多路的数据传输转化成为频分多路的数据传输。

由于各载波之间的正交性，完全消除了彼此之间的串扰，同时利用相同的正交载波组在接收端恢复原始信号。

1.4.3扩频通信方式

实用扩频技术在50年代中发展起来，起初扩频技术只用于军用通信、制导等军事领域，由于它具有许多特点，使得其理论和实践发展迅速。

扩频通信技术在90年代才开始应用到民用上，目前己经在低压电力线通信上得到广泛应用，并已经取得了很大的发展，成为电力线载波通信的热点。

扩频通信方式是一种简便、易实现、价格低廉的方式。

1.5扩频通信技术

1.5.1扩频通信技术的简介

扩频通信是目前应用广泛的通信技术，它相对于窄带通信系统来说有一定的优势，主要表现在扩频通信具有优越的抗干扰性能，它能够很好的克服电力线上的噪声和干扰，扩频通信用伪随机码把基带信号（信息数据窄带信号）的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。

接收端使用相关处理方法，把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号。

这些特征使扩频通信信号不易受干扰，也不容易干扰他人。

扩频信号具有较宽的频谱，因而分散了噪声功率，使干扰程度减小，提高了通信的可靠性。

1.5.2扩频通信的工作原理

在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。

展宽后的信号再调制到射频发送出去。

在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列去相关解扩。

再经信息解调，恢复成原始信息输出。

1.5.3扩频通信的特点

扩频通信是一种新型的通信体制，是通信领域中一个重要的发展方向。

与传统的通信方式相比较，它具有如下的特点:

（1）抗干扰能力强

扩频系统的抗干扰能力是其它所有通信方式无法比拟的。

特别是在干扰的环境下，采用扩频通信技术是提高通信设备抗干扰能力最有效的措施。

因此，抗干扰能力将是扩频通信的最基本特点。

（2）具有选址能力

由于采用编码信号形式，对一个或一组接收机分配规定的码组作为地址，而对其它的接收机分配不同的码组。

这样，用不同的编码序列去调制发射机，就能实现选择地址的目的。

（3）抗多径干扰能力强

扩展频谱信号占据的频带很高，当由于某种原因引起衰落时，只会使小部分频谱衰落，而不会使整个信号产生严重畸变。

故具有抗频率选择性衰落的能力。

此外，在存在多径干扰的场合，由于伪随机码尖锐的相关特性使多径射束完全独立。

只有当多径时延小于码元宽度时，才发生轻度衰落。

而当码元很窄，伪随机码长度很长时，多径反射信号不会同时到达接收点。

扩频系统将多径反射信号作为干扰噪声处理。

故具有很强的抗多径干扰能力。

此外，扩频通信还具有信号功率谱密度低，有利于信号隐蔽，实现多扩频系统具有一系列其它系统无法比拟的优点，有效地解决了强干扰环境中的通信问题。

1.6电力载波通信的实现

1.6.1国外的电力线载波专用Modem芯片

国外在电力线载波通信技术方面发展较早，多家国外公司陆续推出了自己的电力线载波Modem芯片。

下面简单介绍几种常见的Modem芯片：

（1）ST7536芯片

ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的Modem芯片。

由于它是专用Modem芯片，所以除有一般Modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。

目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。

ST7536也是较早的电力线载波Modem芯片，调制解调技术是较落后的FSK方式，加上三字节容错，它最高波特率只能达到400bps。

另外它无CSMA（网络载波侦听）功能，这些限制了它的应用。

它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢。

（2）SSCP300芯片

SSCP300是INTELLON公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波Modem芯片,利用网络接口控制器将扩频通讯收发器和媒介存取接口高度集成化，是用于低廉的电能抄表系统的网络接口控制器，为一个高度集成化的电力线收发器和信道存取接口。

它采用了扩频（Chirp方式）调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBUS协议，可以称为智能MODEM芯片，体现了Modem芯片的发展趋势。

SSCP300提供了数据链接层的控制逻辑，符合EIA-600标准的通道访问及通信服务提供与SPI兼容的主处理器接口。

另外，P300应用时，需要接到电力线上所需的外部电路是非常少。

SCSP300与主处理器一起构造的与CEBus兼容的产品，在各种低廉的电力线网络应用中，充当着基本的通讯单元。

（3）PL3105芯片

PL3105芯片是北京福星晓程公司为智能仪表应用设计的产品，它内嵌直接序列扩频单元。

其扩频通信单元是专门针对我国电力网络恶劣的信道环境所研制开发的。

由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，所以在抗干扰、抗衰落性能以及国内外同类产品性能价格比等方面有着更加出众的表现。

（4）SCll28芯片

SCll28芯片是面向电力线载波通信市场而开发研制的专用扩频调制解调器电路。

由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，因此该电路应用在电力线通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。

SC1128芯片内部集成了扩频/解扩、调制解调、D/A和A/D转换、内置电子表、输出驱动、输入信号放大、看门狗、工作电压检测以及与单片机（MUC）串口通信等功能。

该芯片在小型多功能应用系统中可以起到降低系统成本并提高系统功能的作用。

1.6.2国内电力载波的发展技术

在高速PLC研究和推广方面，我国进步较晚。

从英国公司研究出高速PLC技术以后，我国研究机构也开始对高速PLC研究，并取得一定的成果。

国家领导高度重视PLC技术的研发和推广，多次设立PLC科技项目。

中国电力科学研究院采用国外芯片先后研究出可以传输速率为2、14、45、200Mbit／s的低压PLC产品以及14、45Mbit／s的中压PLC产品。

由于我们低压配电网的结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国外已有的产品需要根据我国配电线路的实际情况进行改进才能使用。

我国针对配电网特点，研究并解决了技术上的难题，确定了多种试验方案。

并于2001年底开通我们第一个电力线为传输介质的PLC宽带接入Internet试验小区。

2002年3月引进欧洲PLC产品进行语音传输试验，在我国第一次实现了利用电力线同时上网和打电话。

2002年5月，采用国内电力系统研制的产品，开通了第一个国内自主研发的PLC宽带接入系统。

小规模产品试验成功之后，又在不同场合进行了大规模电力线宽带接入试验。

主要研究在不同配电网结构中，PLC产品的耦合方式和组网模式，如何建立施工规范，并对不同国家的产品进行测试。

在改进、完善扩大规模后，验证同一网络不同制式设备的兼容性和稳定性。

为组建了世界上最大的PLC试验网络，建立了PLC网管、计费运营系统，研究其盈利模式，探索PLC在中国商业化运营的可行性。

随着PLC技术的突破以及应用的深入，PLC在国内商业化只是迟早的事。

1.7电力线载波通信模块BWP08

1.7.1．BWP08模块的介绍

BWP08嵌入式电力线调制解调器（电力线载波模块、电力线MODEM）是深圳市必威尔科技有限公司（）全力打造的专业电力线载波产品，其核心芯片采用国际著名公司的专用电力载波集成电路，配合必威尔科技专门研发的通讯算法及电力线接口信号驱动电路，使得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。

BWP08是专门针对智能家居及灯饰控制市场研发设计，产品具有体积小，通讯可靠，通讯频点可调，功能可定制特点，可以广泛应用于智能家居，灯饰控制，家电控制等领域。

BWP08电力载波模块采用5-12V宽电压设计，载波波特率100bps-300bps可调，有多种按口方式可供选择，包括UART、SPI等二种接口，可以方便地与单片连接进行数据通讯，方便用户进行二次开发，串行接口波特率可由用户设定，共有四种波特率可设置：

1200bps、2400bps、4800bps、9600bps。

BWP08电力载波模块提供半双工通信功能，可以在220/110V，50/60Hz电力线上实现局域通信，也可以用于直流线路或者无电导体。

该模块可以自由配置电力线上数据通讯模式，有两种通讯模式可供用户选择：

固定字节长度传输及固定帧长度传输，关于这两种通讯模式的详细介绍，请参照相关章节介绍。

该模块为用户提供了透明的数据传输通道，数据传输与用户协议无关，模块采用扩频编码方式，抗干扰能力强，数据传输可靠。

通讯过程中，由用户通讯协议验证数据传输的可靠性。

在同一台变压器下，多个BWP08模块可以连接在同一条电力线上，在主从通信模式下，模块分别单独工作，不会相互影响。

1.7.2．BWP10模块

BWP10模块跟BWP08模块都是是深圳市必威尔科技有限公司全力打造的专业电力线载波产品。

但是不同之处是BWP10电力载波模块采用+12V供电，波特率300bps，具有标准RS232接口及TTL电平接口，可以直接与电脑串口（COM1,COM2）连接收发数据，也可以直接与单片机的RXD、TXD连接，方便用户进行二次开发。

2.智能家居

2.1.智能家居的简介

智能家居又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。

与智能家居含义近似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElectronicHome、E-home）、数字家园（DigitalFamily）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（IntelligentHome/Building），在中国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。

2.2智能家居的定义

　智能家居集成是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成。

由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，如电力载波，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。

安全防范技术是智能家居系统中必不可少的技术，在小区及户内可视对讲、家庭监控、家庭防盗报警、与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。

自动控制技术是智能家居系统中必不可少的技术，广泛应用在智能家居控制中心、智能家居主机家居设备自动控制模块中，对于家庭能源的科学管理、家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。

音视频技术是实现家庭环境舒适性、艺术性的重要技术，体现在音视频集中分配、背景音乐、家庭影院等方面。

又称智能住宅。

通俗地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。

智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过家触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。

智能家居的总示意图：

图3.1智能家居控制系统示意图

2.3智能家居的主要实现的功能

2.3.1智能灯光控制

实现对全宅灯光的智能管理，可以用遥控等多种智能控制方式实现对全宅灯光的遥控开关，调光，全开全关及“会客、影院”等多种一键式灯光场景效果的实现；并可用定时控制、电话远程控制、电脑本地及互联网远程控制等多种控制方式实现功能，从而达到智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能。

优点：

（1）控制：

就地控制、多点控制、遥控控制、区域控制等。

（2）安全：

通过弱电控制强电方式，控制回路与负载回路分离。

（3）简单：

智能灯光控制系统采用模块化结构设计，简单灵活、安装方便。

（4）灵活：

根据环境及用户需求的变化，只需做软件修改设置就可以实现灯光布局的改变和功能扩充。

2.3.2智能电器控制

电器控制采用弱电控制强电方式，即安全又智能，可以用遥控、定时等多种智能控制方式实现对在家里饮水机、插座、空调、地暖、投影机、新风系统等进行智能控制，避免饮水机在夜晚反复加热影响水质，在外出是断开插排通电，避免电器发热引发安全隐患；以及对空调地暖进行定时或者远程控制，让您到家后马上享受舒适的温度和新鲜的空气。

优点：

（1）方便：

就地控制、场景控制、遥控控制、电话电脑远程控制等。

（2）控制：

通过红外或者协议信号控制方式，安全方便互补干扰。

　　（3）健康：

通过智能检测器，可以对家里的温度、湿度、亮度进行检测，并驱动电器设备自动工作。

（4）安全：

系统可以根据生活节奏自动开启或关闭电路，避免不必要的浪费和