基于电力载波技术的网络化智能家居系统的设计

3 智能家居系统硬件设计

智能家居是通过统一的网格总线和控制平台来控制家庭内部电器设备的系统。设计系统主要有两部分组成：发送模块和接收模块。发送模块利用单片机程序将指令发送到接受模块上，其中包括目标设备地址信息。接收模块利用单片机程序实时检测电力线上的X-10信号。当检测到电力线上有信号时，就会把刚刚检测到的信号内所包含的地址信息与自身已经预设好的地址进行比较，如果相等则等待接收下一条X-10控制指令，如果与自身地址不相等，则将该地址信息简单的抛弃，继续等待下一条地址信息的出现。通过相应的指令做出对应的动作，达到对设备的实时控制。

图4 系统物理模型

智能家居是通过统一的网格总线和控制平台来控制家庭内电器设备的系统。控制网格主要由收发模块、阻波器、用电设备等组成。

3.1 nRF905芯片介绍

nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN封装(5×5mm)，工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。其引脚及性能如表1所示。

nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定。

表1 nRF905芯片引脚介绍

3.2 数据发送模块

当有数据要发送时，必须将nRF905设置为工作模式。通过SPI接口按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905。此时，nRF905的TRX_CE和TX_EN引脚置高位，激发芯片的ShockBurstTM发送模式。然后，射频寄存器自动开启，数据打包(加字头和CRC校验码)之后开始发送数据包。当数据发送完成，数据准备好引脚被置高。

AUTO_RETRAN也立即被置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低。当TRX_CE被置低，nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。

ShockBurstTM的工作模式使得当数据开始发送后，即使TRX_CE和TRX_EN的引脚发生变化，都会将该数据包发送完之后再接收下一个数据包。

3.3 数据接收模块

首先通过TRX_CE置高、TX_EN置低，将nRF905设置为ShockBurstTM接收模式，使nRF905不断监测，等待接收数据。若检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高。当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高。此时，数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备好引脚置高。同时微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式。微控制器又通过SPI口，把数据移到微控制器内。当所有的数据接收完毕，nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低。nRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。

3.4 线路阻波器

线路阻波器一般由电感型主线圈，调谐器以及保护元件构成，直接串接在高压输电线中载波信号连接点与相临的电力系统元件之间，来防止传输于外界电力线的信号干扰。阻波器按电路谐调方式分类，主要分单双频，频带及无调谐，图4为单频调和频带调谐阻波器电路图。

图4 阻波器电路图

4 智能家居系统软件设计

进入主程序入口后，首先对控制器进行初始化，然后对X-10进行过零检测。分别接收地址信号和控制命令，接受到X-10信号后查地址指令表，将该地址与存储地址进行比对，若匹配则执行控制命令，若不匹配则重新接收信号。

5 结论

X-10电力载波技术是针对智能家居网络化控制平台开发的通讯协议，由于其性价比高和技术成熟稳定的特点，在智能家居的应用中有广泛的应用。本文以该协议为基础构建了网络化控制平台，充分利用了电力线和网络资源，并通过设计一个简单的照明系统验证了X-10电力载波在智能家居应用中的可行性。