基于電力線的家庭智能網(wǎng)關(guān)

PLC（Power Line Communication）是一種利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的通信方式。通過傳輸電流的電力線作為通信載體，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p撥打電話和觀看在線電影，從而實現(xiàn)集數(shù)據(jù)p語音p視頻以及電力于一體的“四網(wǎng)合一”！另外，可將房屋內(nèi)的電話p電視p音響p冰箱等家電利用PLC連接起來，集中控制，實現(xiàn)“智能家庭”的夢想。

目前的PLC應(yīng)用主要集中在低壓的電力線中，室內(nèi)電力線局域網(wǎng)的技術(shù)已相當(dāng)成熟，傳輸速率可達(dá)到200 Mb/s，完全勝任家庭智能網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。當(dāng)今智能家居市場的主流是多網(wǎng)融合和電氣控制上等低速的應(yīng)用，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，真正實現(xiàn)智能家具，智能家居真正“智能”必須具備高速的數(shù)據(jù)接入和可靠的視頻采集。這里介紹的基于電力線的家居智能網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)只是這方面的一個探索，未來的應(yīng)用將會更豐富多彩。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

該智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入和視頻采集，前者實現(xiàn)公用以太網(wǎng)到室內(nèi)電力線局域網(wǎng)的接入；后者實現(xiàn)基于USB2.0接口的視頻采集系統(tǒng)，用于室內(nèi)或室外的視頻監(jiān)控。

根據(jù)目前國內(nèi)各地同軸電纜網(wǎng)絡(luò)的實際情況，筆者綜合考察了Spidcom、Intellon、Entropic等幾大主流PLC器件廠商方案以及目前市場狀況，選用Spidcom公司的SPC200c器件進(jìn)行設(shè)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(shè)備的即插即用，是目前業(yè)界首款能支持64個終端用戶的解決方案。SPC200c是SPC200e的“瘦身”版，與SPC200e相比，體積更小、能耗更低、接口更精簡，是電力線通信物理層專用器件，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(dá)50 Mb/s，每載波最大支持256QAM，另外將通信頻帶分成了7個獨(dú)立的子頻段，每個子頻段有128個子載頻。

目前市場上的視頻采集器多采用以太網(wǎng)接口或?qū)Ｓ媒涌冢杀靖?，安裝不方便。而基于USB接口的普通PC攝像頭，像素已達(dá)到千萬級，且具有成本低、小巧、即插即用等特點(diǎn)。對于家居監(jiān)控來說，要求圖像質(zhì)量不高；但穩(wěn)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(tǒng)集成了USB2.0的接口，其最高傳輸速率為480 Mb/s，完全可以滿足家居視頻采集數(shù)據(jù)傳輸需要，具有很強(qiáng)的可實施性。

2電力線通信中的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(shù)據(jù)，因此電力線是非常復(fù)雜的通信媒體。一方面各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開關(guān)，給電力線帶來大噪聲干擾；另一方面電力網(wǎng)時變性和線路分支多的特點(diǎn)使電力信道存在大量阻抗不匹配節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致高頻信號在電力線信道傳輸時出現(xiàn)多徑傳輸，并由此產(chǎn)生各種衰落；此外還有電磁兼容等問題。

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

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖2所示為該智能網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)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(kuò)32 MB的SDRAM和32 MB的Flash；2）視頻源模塊，包括1個USB2.0控制器和1個A型USB接口（母口）；3）以太網(wǎng)模塊，包括1個以太網(wǎng)控制器（MII接口）和1個RJ-45接口；4）AFE模塊，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊和耦合模塊；5）電源模塊，提供3組獨(dú)立電源（1.2/1.8/3.3 V）；6）調(diào)試接口模塊，用于系統(tǒng)調(diào)試的JTAG接口和串行接口，均使用標(biāo)準(zhǔn)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ARM926EJS的CPU核和自身的AHB（Advanced High-performance Bus）系統(tǒng)總線組成。主頻可達(dá)400 MHz的ARM926EJ-S是器件的CPU核心，屬于ARM的32 bit RISC系列，采用Jazelle技術(shù)，負(fù)責(zé)控制器與外部接口、器件內(nèi)部各模塊之間的信息交互；外部寄存器可以通過兩個控制器進(jìn)行訪問：1個用于SDRAM、1個用于靜態(tài)存儲器（例如Flash存儲器）。SPC200c包括內(nèi)部設(shè)備（定時器、中斷控制器等）、用戶接口設(shè)備（1個串口、8個GPIO等）和外部的以太網(wǎng)設(shè)備接口。其中，以太網(wǎng)接口也具有DMA能力。此外，SPC200c還內(nèi)嵌1個PLC模塊，具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)，主要用于完成電力線數(shù)據(jù)信號的調(diào)制、解調(diào)等工作。PLC模塊通過模擬前端和耦合部分于同軸電纜相連。

Flash具有掉電保存數(shù)據(jù)的功能，常用于存儲Bootloader、文件系統(tǒng)、內(nèi)核等。該系統(tǒng)采用SPANSION公司的S29GL256N（32 MB）Norflash，用于存儲Bootloader、板級配置信息、用戶文件系統(tǒng)和內(nèi)核。

SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的能力，但是由于其存取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Flash存儲器，因此在系統(tǒng)中主要用于程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)區(qū)和堆棧區(qū)。該系統(tǒng)選用MICRON的M48LC8M32B2（32 MB=2 M×32 bit×4 bank）SDRAM，用于OFDM的調(diào)制、解調(diào)和TDMA與CSMA的協(xié)調(diào)。

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(zhuǎn)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(guī)模集成電路），支持USB2.0兼容的高速模式。該LSI的主端口和設(shè)備端口是共享的，通過控制器的轉(zhuǎn)換可以使其操作在USB主機(jī)或USB設(shè)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(zhuǎn)換器，支持10/100 Mb/s的傳輸速率。該器件支持自動MDI/MDIX功能，可簡化安裝和減少維護(hù)費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)，連接較為簡單，此處不再贅述。

3.4模擬前端模塊（AFE）

該模塊由A/D轉(zhuǎn)換器、低噪聲放大器、低通濾波器和同軸F頭組成。A/D轉(zhuǎn)換器采用AD9867。AD9867是一個MxFE（Mixed-signal Front-End）集成器件，用于數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)75 MS/s的收發(fā)器；具有靈活的數(shù)字接口、節(jié)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(yīng)用；節(jié)能模式可以減少獨(dú)立功能模塊的功耗，也可以在半雙工的應(yīng)用下停止暫時不用部分；SPI（Serial Port Interface）允許軟件編程設(shè)置多數(shù)模塊。

3.5電源模塊

該系統(tǒng)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(tǒng)對電源要求較高，系統(tǒng)工作時需提供1 A以上的電流輸入，且輸入電壓的穩(wěn)定度要在1%以內(nèi)，穩(wěn)定的電源對于高速的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。

圖4為電源模塊采用模塊化設(shè)計，即每路電源作為一個模塊，且采用統(tǒng)一的模板，如圖4（a）所示，各部分除用于調(diào)壓的2只輸出電阻外完全相同。這種設(shè)計方式能夠集中在模板設(shè)計，大大節(jié)省開發(fā)時間和提高模塊的穩(wěn)定度、可靠性；每個模塊在成板后可獨(dú)立使用，便于解決一路電源不穩(wěn)定或不符合要求的情況，增強(qiáng)系統(tǒng)的可調(diào)試能力；擴(kuò)展能力強(qiáng)，只需適當(dāng)調(diào)整2只調(diào)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(diào)試接口模塊

該模塊包括用于調(diào)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(biāo)準(zhǔn)的20針JTAG線序；UART采用3針的插針（2.54 mm），提供GND、UART-IN、UART-OUT信號，通過外接一個轉(zhuǎn)換電路（使用MAX232）轉(zhuǎn)換為一個標(biāo)準(zhǔn)的9針D型串行接口（公口）。

JTAG接口主要用于Flash的燒寫，也用于系統(tǒng)調(diào)試；串行口用于宿主機(jī)與系統(tǒng)間的通信，用于燒寫文件系統(tǒng)和內(nèi)核鏡像、管理鏡像表和訪問板上操作系統(tǒng)（通過BusyBox）。

4結(jié)束語

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(tǒng)的硬件架構(gòu)及具體實現(xiàn)，所實現(xiàn)的智能網(wǎng)關(guān)除具有體積小（裸板尺寸為10 cm×7 cm）、數(shù)據(jù)吞吐率高（實際應(yīng)用層傳輸速率最高可達(dá)到50 Mb/s）、靈活易用外，還具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以在該平臺上通過軟件開發(fā)實現(xiàn)更多的功能，使家居的智能解決方案更完善。電力線通信作為一種新興的技術(shù)，隨著相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善定會在智能家居這個潛力無限的“舞臺上”大放異彩。