基于電力線(xiàn)的家庭智能網(wǎng)關(guān)

PLC（Power Line Communication）是一種利用電力線(xiàn)傳輸數據和話(huà)音信號的通信方式。通過(guò)傳輸電流的電力線(xiàn)作為通信載體，PLC具有極大的便捷性，只要在房間任何有電源插座的地方，不用撥號就立即可享受高速的網(wǎng)絡(luò )接入，瀏覽網(wǎng)頁(yè)p撥打電話(huà)和觀(guān)看在線(xiàn)電影，從而實(shí)現集數據p語(yǔ)音p視頻以及電力于一體的“四網(wǎng)合一”！另外，可將房屋內的電話(huà)p電視p音響p冰箱等家電利用PLC連接起來(lái)，集中控制，實(shí)現“智能家庭”的夢(mèng)想。

目前的PLC應用主要集中在低壓的電力線(xiàn)中，室內電力線(xiàn)局域網(wǎng)的技術(shù)已相當成熟，傳輸速率可達到200 Mb/s，完全勝任家庭智能網(wǎng)絡(luò )的應用。當今智能家居市場(chǎng)的主流是多網(wǎng)融合和電氣控制上等低速的應用，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，真正實(shí)現智能家具，智能家居真正“智能”必須具備高速的數據接入和可靠的視頻采集。這里介紹的基于電力線(xiàn)的家居智能網(wǎng)關(guān)的實(shí)現只是這方面的一個(gè)探索，未來(lái)的應用將會(huì )更豐富多彩。

1系統總體設計

該智能網(wǎng)關(guān)系統的總體方案如圖1所示，主要實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接入和視頻采集，前者實(shí)現公用以太網(wǎng)到室內電力線(xiàn)局域網(wǎng)的接入；后者實(shí)現基于USB2.0接口的視頻采集系統，用于室內或室外的視頻監控。

根據目前國內各地同軸電纜網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際情況，筆者綜合考察了Spidcom、Intellon、Entropic等幾大主流PLC器件廠(chǎng)商方案以及目前市場(chǎng)狀況，選用Spidcom公司的SPC200c器件進(jìn)行設計，該器件MAC層采用TDMA和CSMA組合技術(shù)，且兼容HP1.0，既能很好保證網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量，又能保證終端設備的即插即用，是目前業(yè)界首款能支持64個(gè)終端用戶(hù)的解決方案。SPC200c是SPC200e的“瘦身”版，與SPC200e相比，體積更小、能耗更低、接口更精簡(jiǎn)，是電力線(xiàn)通信物理層專(zhuān)用器件，也是目前速度最快、最為完善的高速PLC器件之一。SPC200c采用OFDM技術(shù)，其最大PHY速率224 Mb/s，TCP速率最大可達50 Mb/s，每載波最大支持256QAM，另外將通信頻帶分成了7個(gè)獨立的子頻段，每個(gè)子頻段有128個(gè)子載頻。

目前市場(chǎng)上的視頻采集器多采用以太網(wǎng)接口或專(zhuān)用接口，成本高，安裝不方便。而基于USB接口的普通PC攝像頭，像素已達到千萬(wàn)級，且具有成本低、小巧、即插即用等特點(diǎn)。對于家居監控來(lái)說(shuō)，要求圖像質(zhì)量不高；但穩定性、易用性要求較高；成本比較敏感。

針對以上特點(diǎn)，該系統集成了USB2.0的接口，其最高傳輸速率為480 Mb/s，完全可以滿(mǎn)足家居視頻采集數據傳輸需要，具有很強的可實(shí)施性。

2電力線(xiàn)通信中的OFDM技術(shù)

眾所周知，電力網(wǎng)是用于傳輸電能的，而不是傳輸數據，因此電力線(xiàn)是非常復雜的通信媒體。一方面各種用電設備經(jīng)常頻繁開(kāi)關(guān)，給電力線(xiàn)帶來(lái)大噪聲干擾；另一方面電力網(wǎng)時(shí)變性和線(xiàn)路分支多的特點(diǎn)使電力信道存在大量阻抗不匹配節點(diǎn)，導致高頻信號在電力線(xiàn)信道傳輸時(shí)出現多徑傳輸，并由此產(chǎn)生各種衰落；此外還有電磁兼容等問(wèn)題。

為滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，正交頻分復用（OFDM）多載波調制方式是新型的電力線(xiàn)載波技術(shù)。與FSK技術(shù)相比，OFDM電力線(xiàn)載波技術(shù)具有抗衰減能力強、頻率利用率高、適合高速數據傳輸以及抗碼間干擾（ISI）能力強等優(yōu)勢。特別是在抗多徑衰落、抗干擾以及自適應調制方面，OFDM電力線(xiàn)載波技術(shù)顯示出無(wú)與倫比的性能優(yōu)勢，因此在自動(dòng)抄表系統及未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展中，它是一種很有競爭力的技術(shù)。

3系統硬件設計

圖2所示為該智能網(wǎng)關(guān)的硬件系統結構，該系統采用模塊化設計方式，主要包括：1）主處理器模塊，采用SPC200c作為主處理器，外擴32 MB的SDRAM和32 MB的Flash；2）視頻源模塊，包括1個(gè)USB2.0控制器和1個(gè)A型USB接口（母口）；3）以太網(wǎng)模塊，包括1個(gè)以太網(wǎng)控制器（MII接口）和1個(gè)RJ-45接口；4）AFE模塊，包括A/D轉換模塊和耦合模塊；5）電源模塊，提供3組獨立電源（1.2/1.8/3.3 V）；6）調試接口模塊，用于系統調試的JTAG接口和串行接口，均使用標準接口定義。

3.1主處理器模塊

主處理器模塊主要由主處理器SPC200c、Flash和SDRAM組成。其中，SPC200c由1個(gè)ARM926EJS的CPU核和自身的AHB（Advanced High-performance Bus）系統總線(xiàn)組成。主頻可達400 MHz的ARM926EJ-S是器件的CPU核心，屬于A(yíng)RM的32 bit RISC系列，采用Jazelle技術(shù)，負責控制器與外部接口、器件內部各模塊之間的信息交互；外部寄存器可以通過(guò)兩個(gè)控制器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)：1個(gè)用于SDRAM、1個(gè)用于靜態(tài)存儲器（例如Flash存儲器）。SPC200c包括內部設備（定時(shí)器、中斷控制器等）、用戶(hù)接口設備（1個(gè)串口、8個(gè)GPIO等）和外部的以太網(wǎng)設備接口。其中，以太網(wǎng)接口也具有DMA能力。此外，SPC200c還內嵌1個(gè)PLC模塊，具有物理層和數據鏈路層結構，主要用于完成電力線(xiàn)數據信號的調制、解調等工作。PLC模塊通過(guò)模擬前端和耦合部分于同軸電纜相連。

Flash具有掉電保存數據的功能，常用于存儲Bootloader、文件系統、內核等。該系統采用SPANSION公司的S29GL256N（32 MB）Norflash，用于存儲Bootloader、板級配置信息、用戶(hù)文件系統和內核。

SDRAM不具有掉電保持數據的能力，但是由于其存取速度遠遠高于Flash存儲器，因此在系統中主要用于程序的運行空間、數據區和堆棧區。該系統選用MICRON的M48LC8M32B2（32 MB=2 M×32 bit×4 bank）SDRAM，用于OFDM的調制、解調和TDMA與CSMA的協(xié)調。

3.2視頻源模塊

該模塊由EPSON公司的S1R72V17 USB2.0控制器、USB電源轉換器MAX8586和A型的USB接口（母口）組成。

S1R72V17是一款USB主從控制器LSI（大規模集成電路），支持USB2.0兼容的高速模式。該LSI的主端口和設備端口是共享的，通過(guò)控制器的轉換可以使其操作在USB主機或USB設備模式下，其與主器件的連接示意圖如圖3所示。

3.3以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊由ICPlus公司的以太網(wǎng)控制器IP101A和含有放大器的RJ-45接口組成。IP101A是兼容802.3/802.3u的單端口快速以太網(wǎng)轉換器，支持10/100 Mb/s的傳輸速率。該器件支持自動(dòng)MDI/MDIX功能，可簡(jiǎn)化安裝和減少維護費用。IP101A提供了MII（Media Independent Interface）接口、SNI（Serial Network Interface）接口或RMII（Reduced Media Independent Interface），適用于接入到不同類(lèi)型的10/100 Mb/sMAC。采用先進(jìn)的CMOS工藝制造，使得器件只需3.3 V的電源，且在自動(dòng)能量保存模式下可將功耗降到很低。

IP101A與主器件的連接采用MII接口，是目前以太網(wǎng)模塊較為常用的接口標準，連接較為簡(jiǎn)單，此處不再贅述。

3.4模擬前端模塊（AFE）

該模塊由A/D轉換器、低噪聲放大器、低通濾波器和同軸F頭組成。A/D轉換器采用AD9867。AD9867是一個(gè)MxFE（Mixed-signal Front-End）集成器件，用于數據傳輸速率高達75 MS/s的收發(fā)器；具有靈活的數字接口、節能模式和發(fā)送接收的高度分離等特性，可適用于半雙工和全雙工應用；節能模式可以減少獨立功能模塊的功耗，也可以在半雙工的應用下停止暫時(shí)不用部分；SPI（Serial Port Interface）允許軟件編程設置多數模塊。

3.5電源模塊

該系統需要1.2 V、1.8 V和3.3 V 3種電源，其中1.2 V為SPC200c的核心供電，1.8 V用于USB2.0控制器的核心供電，3.3 V用于其外圍供電和其他器件供電。該系統對電源要求較高，系統工作時(shí)需提供1 A以上的電流輸入，且輸入電壓的穩定度要在1%以?xún)?，穩定的電源對于高速的數據傳輸至關(guān)重要。

圖4為電源模塊采用模塊化設計，即每路電源作為一個(gè)模塊，且采用統一的模板，如圖4（a）所示，各部分除用于調壓的2只輸出電阻外完全相同。這種設計方式能夠集中在模板設計，大大節省開(kāi)發(fā)時(shí)間和提高模塊的穩定度、可靠性；每個(gè)模塊在成板后可獨立使用，便于解決一路電源不穩定或不符合要求的情況，增強系統的可調試能力；擴展能力強，只需適當調整2只調壓電阻就可以產(chǎn)生其他的電源模塊，如圖4（b）所示。

3.6調試接口模塊

該模塊包括用于調試的JTAG接口和串行接口。其中，JTAG采用20針小型（1.27 mm）雙排插針，標準的20針JTAG線(xiàn)序；UART采用3針的插針（2.54 mm），提供GND、UART-IN、UART-OUT信號，通過(guò)外接一個(gè)轉換電路（使用MAX232）轉換為一個(gè)標準的9針D型串行接口（公口）。

JTAG接口主要用于Flash的燒寫(xiě)，也用于系統調試；串行口用于宿主機與系統間的通信，用于燒寫(xiě)文件系統和內核鏡像、管理鏡像表和訪(fǎng)問(wèn)板上操作系統（通過(guò)BusyBox）。

4結束語(yǔ)

介紹以SPC200c為核心，基于PLC/OFDM技術(shù)的家庭智能網(wǎng)關(guān)的一種解決方案，給出系統的硬件架構及具體實(shí)現，所實(shí)現的智能網(wǎng)關(guān)除具有體積?。惆宄叽鐬?0 cm×7 cm）、數據吞吐率高（實(shí)際應用層傳輸速率最高可達到50 Mb/s）、靈活易用外，還具有很強的擴展性，可以在該平臺上通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現更多的功能，使家居的智能解決方案更完善。電力線(xiàn)通信作為一種新興的技術(shù)，隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)和標準的不斷完善定會(huì )在智能家居這個(gè)潛力無(wú)限的“舞臺上”大放異彩。