電力線(xiàn)載波通信的集群式防盜報警系統

1 系統組成結構與工作原理
系統由1個(gè)集控單元和若干個(gè)現場(chǎng)單元組成，連接到低壓電力線(xiàn)上，構成主從通信系統，如圖1所示。集控單元由AT89C52單片機、ST7538電力線(xiàn)接口、面板式微型打印機和LED顯示、時(shí)鐘、聲光驅動(dòng)等電路構成；現場(chǎng)單元由AT89C52單片機、ST7538電力線(xiàn)接口、傳感器信號接口和鍵盤(pán)、E2PROM、聲光驅動(dòng)等電路構成。

系統工作時(shí)由集控單元依次向各現場(chǎng)單元發(fā)送含地址信息的詢(xún)問(wèn)碼?，F場(chǎng)單元收到后，如果和本機地址相符，將上次查詢(xún)后到此次查詢(xún)間的報警狀態(tài)數據發(fā)回集控單元處理；如果不是詢(xún)問(wèn)本機，且又無(wú)警情發(fā)生，則不響應?，F場(chǎng)單元在非查詢(xún)期間有警情發(fā)生，會(huì )立即發(fā)送報警數據，集控單元接收處理后，繼續原先的輪詢(xún)過(guò)程。集控單元發(fā)送詢(xún)問(wèn)后在規定時(shí)間內收不到應答，也會(huì )認為該現場(chǎng)單元受到破壞失效，也產(chǎn)生報警。集控單元報警時(shí)，會(huì )發(fā)出聲光信號、顯示警點(diǎn)號碼，并且通過(guò)打印機記錄當前時(shí)間和警點(diǎn)信息，時(shí)間由PCF8563芯片提供。每個(gè)現場(chǎng)單元可監測8路傳感器開(kāi)關(guān)量信號，并且有密碼設置和解鎖功能，由E2PROM芯片24C02存儲密碼，業(yè)主在場(chǎng)時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)輸入密碼可取消報警功能，從而避免產(chǎn)生虛警。集控單元一般安裝在保安值班室，現場(chǎng)單元隱蔽安裝于各用戶(hù)室內。

2 硬件設計
ST7538是采用FSK調制技術(shù)的高集成度電力載波芯片，內部集成了發(fā)送和接收數據的所有功能，包括功率放大、電壓／電流自動(dòng)控制，大大簡(jiǎn)化了應用電路，只要通過(guò)耦合變壓器等少量外圍器件即可連接到電力網(wǎng)中。ST7538還提供了UART／SPI串行接口、看門(mén)狗、時(shí)鐘輸出、復位、5 V／3．3 V電源輸出等，可以方便地與單片機相連接。本設計中集控單元和現場(chǎng)單元的ST7538與單片機和電力線(xiàn)接口電路如圖2所示。

ST7538和單片機采用SPI接口，故UART／SPI腳接地。數據收發(fā)控制使用的是 P2 口線(xiàn)，當 RxTx=0、REG／DATA=0時(shí)，載波芯片處于發(fā)送模式，TxD輸入向電力線(xiàn)發(fā)送的數據；當RxTx=1、REG／DATA=O時(shí)，進(jìn)入接收數據模式，RxD輸出從電力線(xiàn)上接收到的數據；REG／DATA=1時(shí)讀寫(xiě)控制寄存器，設置芯片功能參數。CLR／T輸出數據收發(fā)的同步時(shí)鐘信號，與單片機的外部中斷INTO相連，單片機以中斷的方式完成對ST7538的讀寫(xiě)，每一次中斷接收或發(fā)送數據1位。P2．5輸入載波偵聽(tīng)信號，ST7538檢測到工作頻率的載波時(shí)，CD／PD=0；無(wú)載波時(shí)CD／PD=1。P2．6輸出ST7538喂狗信號。
電力線(xiàn)接口電路的功能是將調制解調芯片與電力線(xiàn)相耦合。它的性能決定了通信效果的好壞，是實(shí)現載波通信的關(guān)鍵，主要包括發(fā)送濾波電路、接收濾波電路和耦合保護電路。發(fā)送濾波電路將ATOPl、ATOP2輸出的載波信號進(jìn)行濾波，濾除摻雜在信號中的諧波噪聲和偽信號，從而將處理后的信號以較高的效率和一定的功率耦合到電力線(xiàn)上，由C1、L1和C4、C5、R3、L3構成一個(gè)四階帶通濾波器，所用的信道頻率為132．5 kHz；接收濾波電路用以濾除指定頻率以外的無(wú)用信號和噪聲，將有用的載波信號輸入給ST7538，采用并聯(lián)諧振電路，由R2、L2、C3、C2構成二階無(wú)源帶通濾波器，中心頻率為132．5 kHz，由R2、L2、C3的值決定；耦合保護電路用來(lái)隔離交流220 V強電信號，其中D1、D2、D3用于防止電力線(xiàn)上的浪涌或沖擊等高能量信號對后級電路的損壞。ST7538的Vsense、CL腳用于引入對輸出電壓、電流進(jìn)行自動(dòng)增益控制的反饋信號。
集控單元顯示部分使用6個(gè)LED數碼管分別顯示當前時(shí)間(時(shí)、分)和警點(diǎn)編號(1～99)，采用動(dòng)態(tài)掃描方式，P0口輸出顯示數據，P1．0～P1．5作數碼管位選。時(shí)鐘芯片PCF8563和單片機通過(guò)I2C總線(xiàn)連接，用P1．6和P1．7作SCL和SDA。由于數據量不大，單片機和微型打印機采用串口通信，P3．O、P3．1經(jīng)MAX232電平轉換連接到TPμP―AF24L打印機的接口上。聲光驅動(dòng)信號由P3．4、P3．5通過(guò)光電隔離后輸出。P2．7和P3．6、P3．7接按鍵，分別作報警確認和時(shí)鐘調校功能。接口電路如圖3所示。

現場(chǎng)單元鍵盤(pán)接口采用專(zhuān)用鍵盤(pán)管理芯片74C922，其編碼(BCD)輸出可直接與單片機P0．O～3相連，內部振蕩器完成44矩形鍵盤(pán)掃描，有按鍵時(shí)，DA變高，通過(guò)非門(mén)接到AT89C52的INTl口，并且設INTl為邊沿觸發(fā)方式。當DA變高時(shí)，經(jīng)過(guò)非門(mén)變?yōu)榈碗娖教儺a(chǎn)生INTl外部中斷，通知AT89C52讀取鍵值，判斷鍵值從而完成相應的散轉程序功能。PO．4～7接4個(gè)LED，分別用于運行狀態(tài)、功能和按鍵輸入等方面的指示；8路傳感器信號經(jīng)光電隔離輸入P1口，聲光驅動(dòng)信號由P3．4、P3．5經(jīng)光電隔離后輸出，WC24C02的SCL、SDA和單片機P3．6、P3．7連接作I2C總線(xiàn)，P2．7用于按鍵“BEEP”提示音驅動(dòng)。接口電路如圖4所示。

3 軟件設計
集控單元和現場(chǎng)單元各自運行程序，軟件設計均采用模塊化形式，整個(gè)程序包括初始化、主從通信、數據收發(fā)中斷處理、按鍵處理、I／O口掃描、LED數碼管顯示、微型打印機驅動(dòng)、I2C總線(xiàn)讀寫(xiě)驅動(dòng)等程序模塊。設計內容較多，相關(guān)程序可見(jiàn)參考文獻。下面主要介紹主從通信程序設計。
在以往電力線(xiàn)Modem的應用中，由于受到器件半雙工通信的限制，主從通信只能采用“輪詢(xún)應答”方式，即主節點(diǎn)依次向各從節點(diǎn)發(fā)送查詢(xún)命令幀，目標節點(diǎn)接收到后發(fā)送應答幀，主節點(diǎn)必須接收到該應答，才可向下一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送查詢(xún)。如果從節點(diǎn)數較多，而且通信速率比較低，則耗時(shí)較長(cháng)，影響實(shí)時(shí)性。ST7538在此方面有了很大改進(jìn)，除了通信速率高(可達4800 baud)外，還增加了載波偵聽(tīng)功能，可以減少沖突，提高信道的利用率。因此利用此功能對“輪詢(xún)應答”加以改進(jìn)，辦法是所有節點(diǎn)向電力線(xiàn)上發(fā)送數據前，先執行載波偵聽(tīng)算法：檢測CD／PD狀態(tài)，若CD／PD=O，則先不立即發(fā)送數據，而是延遲隨機時(shí)間t(10 ms)，再檢測CD／PD狀態(tài)，若仍為低電平，此時(shí)才啟動(dòng)發(fā)送；若CD／PD=1，則連續監測CD／PD狀態(tài)，直到轉化為低電平后，才進(jìn)入延時(shí)階段；若同時(shí)有多個(gè)節點(diǎn)企圖發(fā)送信息，延時(shí)最短的節點(diǎn)可以最先發(fā)送信息，其他延時(shí)稍長(cháng)的節點(diǎn)在延時(shí)結束后，便會(huì )發(fā)現CD／PD已經(jīng)轉化為高電平，信道已被占用，只好等待下一次發(fā)送機會(huì )。通過(guò)加入載波偵聽(tīng)算法，即使現場(chǎng)單元在非查詢(xún)期間有警情發(fā)生，仍可有機會(huì )獲取信道，優(yōu)先向集控單元發(fā)送告警數據，從而提高系統的突發(fā)響應能力。主從通信程序流程如圖5所示。

載波偵聽(tīng)功能通過(guò)寄存器12、13位設置。由于電力線(xiàn)上存在各種噪聲，當ST7538檢測到工作頻率的噪聲時(shí)，會(huì )誤以為是載波，使CD／PD=0?？紤]這個(gè)原因， 采用同步字符(0101……序列)偵測方式；同時(shí)，對數據傳輸加以通信協(xié)議，以保證通信的可靠性。做法是規定數據幀格式為：同步字、起始字、源地址、目的地址、控制字、數據、校驗碼、結束字，其中控制字包含數據幀長(cháng)度和傳送正確／錯誤信息。

結 語(yǔ)
ST7538是一款集成度高、功能強大的電力線(xiàn)Modem芯片，其中的載波偵聽(tīng)功能，為電力線(xiàn)載波通信技術(shù)應用在實(shí)時(shí)性要求較高的安防領(lǐng)域提供了有效的解決方案。本文介紹的防盜報警系統，以低壓電力線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，可以實(shí)現民用住宅和辦公樓層的多警點(diǎn)實(shí)時(shí)集中監控。在實(shí)際運行中，集控單元和現場(chǎng)單元的有效通信距離達到400 m，數據傳輸穩定可靠，反應迅速。