主要介绍了PLC技术在家庭网络通信中的应用,给出了基于PLC的家庭网络系统的结构。描述了PLC控制端设备和局端设备的设计方法,以及设备的EMC测试情况。The application of power line communication(PLC) technology in home network communication was mainly introduced. The construction of home network system based on PLC was given. The design method of PLC control device and remote terminal and EMC testing of device were described

彭军

芦健

陈文芗

颜自勇

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现代建筑电气篇 ( 2007 6) 智能家居彭 军 ( 1977 ),男,助理工程师, 硕士研究生, 研究方向为嵌入式系统的研究与应用。基于 PLC的家庭网络技术彭 军, 芦 健, 颜自勇, 陈文芗(厦门大学 机电工程系,福建 厦门 361005)摘 要: 主要介绍了 PLC技术在家庭网络通信中的应用, 给出了基于 PLC的家庭网络系统的结构。描述了 PLC控制端设备和局端设备的设计方法, 以及设备的 EMC测试情况。关键词: 电力线通信; 家庭网络; INT5200; EMC中图分类号: TP273 TN915 5 文献标识码: B 文章编号: 1001-5531( 2007 ) 06-0026-03Home Network Technology Based on PowerL ine CommunicationPENG Jun, LU J ian, YAN Z iyong, CHEN W enx iang(D epartment ofM echan ica l and E lectrical Eng ineering,X iamen Un iversity, X iamen 361005, China)Abstract: The application o f power line comm un ication( PLC ) techno logy in hom e ne tw ork comm un ication wasm a in ly in troduced. The construction o f hom e netw ork sy stem based on PLC w as g iven. The design me thod of PLCcontro l dev ice and rem o te term ina l and EMC testing of dev ice we re descr ibed.Keywords: pow er line commun ication( PLC) ; hom e network; INT5200; electrom agnetic com patib i-lity(EMC )芦 健 ( 1981 ),男, 硕士研究生, 研究方向为嵌入式系统的研究与应用。颜自勇 ( 1982 ),男, 硕士研究生, 研究方向为单片机嵌入式系统与现场总线控制技术。陈文芗 ( 1955 ),男, 教授,主要从事电子技术应用、计算机控制技术等研究与教学工作。0 引 言电力线通信 ( Pow er L ineCommunication, 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。电力线网络是世界上已有的应用最广的有线网络, 是人们生活中必不可少的。利用 PLC组建网络, 无需架线, 不破坏住宅结构,连接方便快捷,是当今世界研究的一个热点。在本系统中, 采用 In tellon公司的 INT5200芯片作为电力载波芯片, 网络数据由与负载相连的电力线传送,并通过 HomePlug协议实现信息交互, 采用正交频分复用技术 ( O r-thogonal Frequency D iv ision M u lt iplex ing, OFDM )进行调制解调, 实现家庭智能网络化控制和 PLC上网。1 PLC家庭网络系统结构图 1为 PLC家庭网络系统的结构示意图。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 M odem解调出来的网络信号后,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性线上。这样,在家庭的任何一个电源插座处, 通过耦合电路可以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。26智能家居 现代建筑电气篇 ( 2007 6)图 1 PLC家庭网络系统的结构示意图同理, PC或其他家电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M odem发送到 In ternet上,供远程用户使用。2 PLC主控终端的设计PLC主控终端主要由主控终端接口和电力线耦合两大部分组成。PLC主控终端的最主要功能是完成以太网数据包和电力包之间的相互转换、OFDM调制解调以及信号与电力线的耦合。其中, PLC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、EEPROM 存储设备、LED状态指示部分和电力线耦合电路等构成。主控终端接口的电路结构如图 2所示。图 2 主控终端接口电路示意图INT5200是一个集成电力线 MAC层、PHY层、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, 抵制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 14M b /s信号的可靠传输。 INT5200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工作在主机模式下。 INT5200与 RTL8201BL之间通过 M II接口进行通信, 收发以太网的数据包。M II接口提供独立的 4 bit数据收发通道, RTL8201BL为INT5200提供同步时钟信号。M II接口具有两线串行数据管理接口 (M II_MDCLK和 M II_MDIO ),通过这两个管理接口可以访问 RTL8201BL的寄存器。当从电力线接收电力信息时,主控终端首先从 220 V电力线上通过耦合电路提取电力信息, 再经过滤波、增益调整等处理后发送给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, 通过RTL8201BL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。同样, 向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以增强信号的强度。EEPROM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 ), 通过 SPI接口与 INT5200进行通信。LED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,必须考虑电力线特殊通信环境以及电力线较低的阻抗 (一般为几十 )。图 3为 PLC主控终端的电力线耦合电路, 其中 TX1+和 TX1-连接图 2中的驱动电路, 是 INT5200的电力数据信息发送端。RX1+和 RX1-连接图 2中的滤波保护电路, 是 INT5200的电力数据信息接收端。在相线和中性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,避免系统图 3 电力线耦合电路27现代建筑电气篇 ( 2007 6) 智能家居受到损害。电容 C和耦合变压器的二次侧构成高通滤波器,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可用来释放电容器中的能量。3 PLC局端的设计PLC局端的作用是:家电设备 (如空调等 )可以通过 PLC局端,从电力线接收控制信息和反馈状态信息来实现与 PLC主控终端的通信。通过PLC局端并借助 Modem, 就可以实现智能家电的远程控制和状态监测。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。PLC局端通信接口电路的结构如图 4所示。这里 INT5200工作在 PHY模式,微处理器采用 S3C2510A。 PLC 主控终端通过M odem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 M II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设备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,智能家电也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和 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。目前我国还未正式出台这方面的通信标准, 具体采用什么样的接口和协议必须与家电设备生产厂商保持一致。图 4 PLC局端通信接口电路示意图PLC局端中的 S3C2510A具有两个独立的10 /100M b /s的以太网控制器。这两个接口可以完成 IEEE 802. 3的 MAC层处理。它的 M II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 RTL8021BL(如图 4中所示 )。图 4中为了表述得更清楚一些,特将 M II接口分开来画。在 M II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 )还是发给 RTL8201BL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测试效果本系统的 PLC主控终端和 PLC局端按照 GB9254 1998 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法 和 GB /T 17618 1998 信息技术设备抗扰度限值和测量方法 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、工频磁场和射频电磁场辐射骚扰、静电放电、电信端口和电源输入端口的注入电流、电信端口和电源输入端口的浪涌、电信端口和电源输入端口的脉冲群、电源输入端口的电压暂降、电源输入端口的电压中断测试。测试结果均符合国家标准要求。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, 101 kPa,按照 GB 9254 1998的测试方法进行测试。由图 5中曲线可知, 测试结果符合 GB 9254 1998要求。图 5 电源端子骚扰电压测试曲线(下转第 44页 )28现代建筑电气篇 ( 2007 6) 消防与安全火灾探测器后再接入配电箱或控制箱。适用于新旧 (改造 )工程,漏电火灾探测器只需将电源先引入漏电报警开关装置后,再接入配电箱或控制箱。专用漏电火灾监控箱设在配电箱或控制箱附近。配电柜成套安装方式。直接在配电柜或控制柜面板上嵌入漏电火灾探测器,只考虑在柜内适当位置固定火灾漏电互感器 (一般在主断路器上端或下端 ), 不改动配电柜内部结构,不需增加单独的漏电火灾探测器安装箱, 既美观又不占空间。但应在设计图纸中明确提出要求,在施工图会审完毕后, 由电器成套厂在面板上预留嵌装漏电火灾探测器的安装孔。4 结 语漏电火灾报警系统能准确地监控电气线路中的故障及异常状态,及时发现电气线路中的火灾隐患。在民用建筑设计中, 电源端照明干线或分支线路上应严格按照国家标准 GB 50045 1995( 2005年版 )和 GB 50016 2006有关规定设置漏电火灾报警系统,末端仍应按有关规定设置一般型、无延时漏电开关, 防止人身电击事故。住宅设计限定在每幢住宅进户线上, 主电源开关有条件时宜组成系统, 无条件时单独设置就地报警或切断电源。电气火灾监控系统可自成体系。当并入火灾自动报警系统时,应采用独立的显示器,供电应符合消防电源要求。参 考 文 献[ 1] GB 50045 1995( 2005年版 ) 高层民用建筑设计防火规范 [ S].北京: 中国计划出版社, 2005.[ 2] GB 50016 2006 建筑设计防火规范 [ S ].北京:中国计划出版社, 2006.[ 3] GB 50096 1999( 2003年版 ) 住宅设计规范 [ S].北京: 中国建筑工业出版社, 2003.[ 4] 全国民用建筑工程设计技术措施 电气 [ S]. 北京:中国计划出版社, 2003.[ 5] 李天兵. 关于漏电火灾报警系统的探讨 [ J]. 建筑电气, 2006( 2): 40-41.[ 6] 电气火灾监控系统的设计方法 [ S].暂行. 智能建筑电气技术, 2006( 4): 4-5.收稿日期: 2006-12-06(上接第 28页 )图 6为在屏蔽室中进行的电磁场辐射骚扰的测试连接方式。图 7为电磁场辐射骚扰的测试曲线。测试环境为 23 C, 63% TH, 101. 5 kPa, 按照 GB 9254 1998测试方法进行测试。由图 7中曲线可知,测试结果符合国家标准要求。图 6 电磁场辐射骚扰测试连接方式图 7 电磁场辐射骚扰测试曲线5 结 语电力线网络通信与其他通信方式相比有着明显的优势。电网的电力线覆盖面积最广,电力线网络通信不需要另外铺设通信电缆,对于已经装修的家庭用户来说, 能提供极大的便利。高速的电力线网络通信技术还可以为智能家居系统提供良好的网络平台,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,且具有非常广阔的市场前景。参 考 文 献[ 1] 张海滨. 正交频分复用的基本原理与关键技术[M ]. 北京:国防工业出版社, 2006.[ 2] 齐淑清. 电力线通信 ( PLC )技术与应用 [M ]. 北京:中国电力出版社, 2005.[ 3] DL /T 5189 2004 电力线载波通信设计技术规程[ S] .[ 4] 毕厚杰, 陈启美. IP宽带通信网络技术 [ M ]. 北京:北京邮电大学出版社, 2004.收稿日期: 2006-11-2144

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