基于電力線的家庭智能網關

PLC（Power Line Communication）是一種利用電力線傳輸數據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絡接入，瀏覽網頁p撥打電話和觀看在線電影，從而實現集數據p語音p視頻以及電力于一體的“四網合一”！另外，可將房屋內的電話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“智能家庭”的夢想。

目前的PLC應用主要集中在低壓的電力線中，室內電力線局域網的技術已相當成熟，傳輸速率可達到200 Mb/s，完全勝任家庭智能網絡的應用。當今智能家居市場的主流是多網融合和電氣控制上等低速的應用，隨著網絡技術的發展，真正實現智能家具，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的家居智能網關的實現只是這方面的一個探索，未來的應用將會更豐富多彩。

1系統總體設計

該智能網關系統的總體方案如圖1所示，主要實現網絡接入和視頻采集，前者實現公用以太網到室內電力線局域網的接入；后者實現基于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絡的實際情況，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器件進行設計，該器件MAC層采用TDMA和CSMA組合技術，且兼容HP1.0，既能很好保證網絡服務質量，又能保證終端設備的即插即用，是目前業界首款能支持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，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個獨立的子頻段，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接口或專用接口，成本高，安裝不方便。而基于USB接口的普通PC攝像頭，像素已達到千萬級，且具有成本低、小巧、即插即用等特點。對于家居監控來說，要求圖像質量不高；但穩定性、易用性要求較高；成本比較敏感。

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

2電力線通信中的OFDM技術

眾所周知，電力網是用于傳輸電能的，而不是傳輸數據，因此電力線是非常復雜的通信媒體。一方面各種用電設備經常頻繁開關，給電力線帶來大噪聲干擾；另一方面電力網時變性和線路分支多的特點使電力信道存在大量阻抗不匹配節點，導致高頻信號在電力線信道傳輸時出現多徑傳輸，并由此產生各種衰落；此外還有電磁兼容等問題。

為滿足智能電網的發展需求，正交頻分復用（OFDM）多載波調制方式是新型的電力線載波技術。與FSK技術相比，OFDM電力線載波技術具有抗衰減能力強、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電力線載波技術顯示出無與倫比的性能優勢，因此在自動抄表系統及未來智能電網的發展中，它是一種很有競爭力的技術。

3系統硬件設計

圖2所示為該智能網關的硬件系統結構，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USB2.0控制器和1個A型USB接口（母口）；3）以太網模塊，包括1個以太網控制器（MII接口）和1個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ARM926EJS的CPU核和自身的AHB（Advanced High-performance Bus）系統總線組成。主頻可達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，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兩個控制器進行訪問：1個用于SDRAM、1個用于靜態存儲器（例如Flash存儲器）。SPC200c包括內部設備（定時器、中斷控制器等）、用戶接口設備（1個串口、8個GPIO等）和外部的以太網設備接口。其中，以太網接口也具有DMA能力。此外，SPC200c還內嵌1個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數據信號的調制、解調等工作。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以太網模塊

以太網模塊由ICPlus公司的以太網控制器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轉換器，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型的10/100 Mb/sMAC。采用先進的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，是目前以太網模塊較為常用的接口標準，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的收發器；具有靈活的數字接口、節能模式和發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%以內，穩定的電源對于高速的數據傳輸至關重要。

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，大大節省開發時間和提高模塊的穩定度、可靠性；每個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，通過外接一個轉換電路（使用MAX232）轉換為一個標準的9針D型串行接口（公口）。

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

4結束語

介紹以SPC200c為核心，基于PLC/OFDM技術的家庭智能網關的一種解決方案，給出系統的硬件架構及具體實現，所實現的智能網關除具有體積小（裸板尺寸為10 cm×7 cm）、數據吞吐率高（實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軟件開發實現更多的功能，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，隨著相關技術和標準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。