電力線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個集控單元和若干個現場單元組成，連接到低壓電力線上，構成主從通信系統，如圖1所示。集控單元由AT89C52單片機、ST7538電力線接口、面板式微型打印機和LED顯示、時鐘、聲光驅動等電路構成；現場單元由AT89C52單片機、ST7538電力線接口、傳感器信號接口和鍵盤、E2PROM、聲光驅動等電路構成。

系統工作時由集控單元依次向各現場單元發送含地址信息的詢問碼。現場單元收到后，如果和本機地址相符，將上次查詢后到此次查詢間的報警狀態數據發回集控單元處理；如果不是詢問本機，且又無警情發生，則不響應。現場單元在非查詢期間有警情發生，會立即發送報警數據，集控單元接收處理后，繼續原先的輪詢過程。集控單元發送詢問后在規定時間內收不到應答，也會認為該現場單元受到破壞失效，也產生報警。集控單元報警時，會發出聲光信號、顯示警點號碼，并且通過打印機記錄當前時間和警點信息，時間由PCF8563芯片提供。每個現場單元可監測8路傳感器開關量信號，并且有密碼設置和解鎖功能，由E2PROM芯片24C02存儲密碼，業主在場時通過鍵盤輸入密碼可取消報警功能，從而避免產生虛警。集控單元一般安裝在保安值班室，現場單元隱蔽安裝于各用戶室內。

2 硬件設計
ST7538是采用FSK調制技術的高集成度電力載波芯片，內部集成了發送和接收數據的所有功能，包括功率放大、電壓／電流自動控制，大大簡化了應用電路，只要通過耦合變壓器等少量外圍器件即可連接到電力網中。ST7538還提供了UART／SPI串行接口、看門狗、時鐘輸出、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單元的ST7538與單片機和電力線接口電路如圖2所示。

ST7538和單片機采用SPI接口，故UART／SPI腳接地。數據收發控制使用的是 P2 口線，當 RxTx=0、REG／DATA=0時，載波芯片處于發送模式，TxD輸入向電力線發送的數據；當RxTx=1、REG／DATA=O時，進入接收數據模式，RxD輸出從電力線上接收到的數據；REG／DATA=1時讀寫控制寄存器，設置芯片功能參數。CLR／T輸出數據收發的同步時鐘信號，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，每一次中斷接收或發送數據1位。P2．5輸入載波偵聽信號，ST7538檢測到工作頻率的載波時，CD／PD=0；無載波時CD／PD=1。P2．6輸出ST7538喂狗信號。
電力線接口電路的功能是將調制解調芯片與電力線相耦合。它的性能決定了通信效果的好壞，是實現載波通信的關鍵，主要包括發送濾波電路、接收濾波電路和耦合保護電路。發送濾波電路將ATOPl、ATOP2輸出的載波信號進行濾波，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上，由C1、L1和C4、C5、R3、L3構成一個四階帶通濾波器，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用信號和噪聲，將有用的載波信號輸入給ST7538，采用并聯諧振電路，由R2、L2、C3、C2構成二階無源帶通濾波器，中心頻率為132．5 kHz，由R2、L2、C3的值決定；耦合保護電路用來隔離交流220 V強電信號，其中D1、D2、D3用于防止電力線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、電流進行自動增益控制的反饋信號。
集控單元顯示部分使用6個LED數碼管分別顯示當前時間(時、分)和警點編號(1～99)，采用動態掃描方式，P0口輸出顯示數據，P1．0～P1．5作數碼管位選。時鐘芯片PCF8563和單片機通過I2C總線連接，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MAX232電平轉換連接到TPμP―AF24L打印機的接口上。聲光驅動信號由P3．4、P3．5通過光電隔離后輸出。P2．7和P3．6、P3．7接按鍵，分別作報警確認和時鐘調校功能。接口電路如圖3所示。

現場單元鍵盤接口采用專用鍵盤管理芯片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矩形鍵盤掃描，有按鍵時，DA變高，通過非門接到AT89C52的INTl口，并且設INTl為邊沿觸發方式。當DA變高時，經過非門變為低電平跳變產生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LED，分別用于運行狀態、功能和按鍵輸入等方面的指示；8路傳感器信號經光電隔離輸入P1口，聲光驅動信號由P3．4、P3．5經光電隔離后輸出，WC24C02的SCL、SDA和單片機P3．6、P3．7連接作I2C總線，P2．7用于按鍵“BEEP”提示音驅動。接口電路如圖4所示。

3 軟件設計
集控單元和現場單元各自運行程序，軟件設計均采用模塊化形式，整個程序包括初始化、主從通信、數據收發中斷處理、按鍵處理、I／O口掃描、LED數碼管顯示、微型打印機驅動、I2C總線讀寫驅動等程序模塊。設計內容較多，相關程序可見參考文獻。下面主要介紹主從通信程序設計。
在以往電力線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“輪詢應答”方式，即主節點依次向各從節點發送查詢命令幀，目標節點接收到后發送應答幀，主節點必須接收到該應答，才可向下一個節點發送查詢。如果從節點數較多，而且通信速率比較低，則耗時較長，影響實時性。ST7538在此方面有了很大改進，除了通信速率高(可達4800 baud)外，還增加了載波偵聽功能，可以減少沖突，提高信道的利用率。因此利用此功能對“輪詢應答”加以改進，辦法是所有節點向電力線上發送數據前，先執行載波偵聽算法：檢測CD／PD狀態，若CD／PD=O，則先不立即發送數據，而是延遲隨機時間t(10 ms)，再檢測CD／PD狀態，若仍為低電平，此時才啟動發送；若CD／PD=1，則連續監測CD／PD狀態，直到轉化為低電平后，才進入延時階段；若同時有多個節點企圖發送信息，延時最短的節點可以最先發送信息，其他延時稍長的節點在延時結束后，便會發現CD／PD已經轉化為高電平，信道已被占用，只好等待下一次發送機會。通過加入載波偵聽算法，即使現場單元在非查詢期間有警情發生，仍可有機會獲取信道，優先向集控單元發送告警數據，從而提高系統的突發響應能力。主從通信程序流程如圖5所示。

載波偵聽功能通過寄存器12、13位設置。由于電力線上存在各種噪聲，當ST7538檢測到工作頻率的噪聲時，會誤以為是載波，使CD／PD=0。考慮這個原因， 采用同步字符(0101……序列)偵測方式；同時，對數據傳輸加以通信協議，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度和傳送正確／錯誤信息。

結 語
ST7538是一款集成度高、功能強大的電力線Modem芯片，其中的載波偵聽功能，為電力線載波通信技術應用在實時性要求較高的安防領域提供了有效的解決方案。本文介紹的防盜報警系統，以低壓電力線作為傳輸介質，可以實現民用住宅和辦公樓層的多警點實時集中監控。在實際運行中，集控單元和現場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。