智能化网络家电控制中电力载波模块的设计

电力载波(PowerLine CarrierWave,简称PLCW)通信是利用电力线进行信息传送的一种通信方式[1]。电力载波通信在远程三表(水表、电表、煤气表)信息的自动采集和传输中得到广泛的应用,在智能小区建设中备受青睐。随着信息技术的发展,智能化网络家电逐渐成为研究热点[4],而将电力载波应用于智能化网络家电控制则刚刚开始。国内目前尚未有应用于智能化网络家电控制的电力载波通讯产品的研究报道;而国外已经有稳定的构建智能化网络家电的电力载波通讯产品[3],但其价格昂贵,中国普通家庭难以接收,而且电压是110V,也不适合中国国情。因此,有必要对电力载波技术进行深入探索,研究开发出适合中国国情、成本低廉而可靠的电力载波通讯产品。 将电力载波应用于智能化网络家电控制中有许多优点1)可以利用现有的电力线组网;(2)因为不必重新布网,所以可以节约财力、物力和人力;(3)稳定可靠,易于实现;(4)目前市场上已经有多种电力载波芯片,可以择优选用。
但是将电力载波应用到智能化网络家电控制中还存在许多技术难点1)如何设计基于电力载波控制的智能化家电网络的体系结构;(2)如何制定电力载波通讯协议,使得它们之间能够相互可靠地传递信息;(3)如何克服电力载波固有的信号衰减、阻抗失配以及等幅振荡干扰等问题[2];(4)如何设计电力线接口(PowerLine Interface,简称PLI)。本文将从上述问题出发,阐述智能化网络家电控制中电力载波模块的设计与实现过程。
1 电力载波通讯网络体系结构
电力载波通讯是利用电力线进行信息传送的通讯方式,因此利用电力线可以组建家庭环境的通讯网络。基于电力载波组建的电力线通讯网络如图1所示。电力载波通讯网络一般采用主从控制方式,图中上层有一个主控CPU,下层有若干个从CPU。主控CPU向各个从CPU发出指令协调工作,同一时刻只能有一个CPU使用电力线资源。主控CPU与网关或者家庭服务器相联,从CPU控制智能电器工作。

2 电力载波模块设计
在目前的电力载波通讯产品中,主要使用两种方式:窄带通讯方式和扩频通讯方式。窄带通讯技术价格低廉并且较为容易实现;扩频通讯技术在抗干扰性能上优于窄带通讯,但技术复杂。使用ST7536作为电力载波芯片,采用窄带通讯方式,是目前广泛应用于自动抄表系统中的一项成熟技术。考虑到家庭网络通讯距离短、消息命令少等特点,因此本文选择ST7536芯片设计电力载波通讯模块。
2.1 模块结构
电力载波模块结构示意图如图2所示。它以ST7536为核心,选用89C52/C51系列单片机为控制器,具有RS232接口和电力线接口。

电力载波模块的工作过程如下:
模块经常处于接收状态(Rx/Tx-=1),时刻监听电力线。当电力线上有信号时,开始接收信息帧,并同时校验目标地址。如果目标地址不是本机地址,则抛弃该帧。如果目标地址与本机地址相同,则分解该信息帧,检出有用信息,然后通过RS232接口发往上位机或者应用家电。
如果上位机发出控制指令或者家电产生回馈信息,则通过RS232接口产生中断进入模块。由模块将控制指令或回馈信息组合成帧,然后模块转入发送模式(Rx/Tx-=0),通过PLI将信息帧发送到电力线上。信息帧发送完毕,模块转入接收模式(Rx/Tx-=1)。
2.2 技术难点
信号衰减、阻抗失配、脉冲噪声以及等幅振荡波干扰等问题是影响电力线传输信号的普遍问题。除此以外,电力线接口的变压器设计也是设计难点。
在电力线上存在各种各样的干扰,主要包括电源线中的高频干扰、感性负载产生的瞬变噪声、晶闸管通断时产生的干扰、电网电压的短时下降干扰和拉闸过程形成的高频干扰。对于以上各种问题,解决的方法主要是屏蔽、滤波、接地,在线路板上布线时应注意减小分布电感和分布电容。衰减和阻抗匹配实际上是一个问题的两个方面。阻抗匹配不好,信号衰减得就快。阻抗匹配的核心问题是对电线阻抗进行检测,检测到的信号引入到ST7536构成闭环,使阻抗匹配,增大输出功率。另外,在电力载波模块的设计中,应极力避免在同一线路上两个模块同时处于发送状态,此时两模块互为负载,模块若长时间工作,将有可能损坏。解决问题的办法是:建立主从式网络,由主机对各从机轮询,从机只有得到主机控制指令后才可以往电力线上发送信号;而发送模块一旦发现线路上有其它模块正在发送,则本模块立即转为接收状态。
PLI的变压器设计是另一个设计难点。图3所示是PLI的结构示意图。它由低通滤波、前置放大、变压器等组成,目的是把ST7536同电力线隔离,在电力线上加载/析取信号,过滤电力线上的50/60Hz信号以及发送信号的二次谐波信号。

变压器的铁芯是TOKO T1002N,具有两个主绕组和一个副绕组,匝数比为4：1：1,其电路结构见图4。变压器的典型值为1t：9.4μH;L4t：140μH。