家电遥控系统的研究与设计

本文由tyqhaha贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。暖啜髓ｌｃｄｍｃＰｐｒａｅｉ?ｅＡａｓ家电遥控系统的研究与设计ＲｅｅｒｈａｄＤｅｉｎｏｍｏｅＡｐｌｎｅＣｏｔｌＳｓｅｓａｃｎｓｇｆＲｅｔｐｉｃｎｒｙｔｍａ程序贤徐建城（西北工业大学，西安７０７）１０２摘要：以家庭低压电力线为传输介质，采用直接序列扩频和低压电力线载波通信技术（ＬＣ，ＰＣ）设计了基于Ｐ３０Ｌ１６的控制及通信节点，并形成一个小型系统，实现对家用电器的遥控。通过分析节点与低压电力线信道特性，为系统建立了通信模型、了数据帧格式，设计并经过比较与优化，出了错误处理机制。实验数据表明，提系统通信状况良好，可实现对家用电器的可靠控制；系统性能稳定，成本低，具有一定的实用价值和应用前景。关键词：电力线载波家用电器遥控Ｐ３０Ｌ１６通信模型错误处理ｄｉ１．９９．ｓ．０７００２０．．ｏ：０３６／ｉｓｎ１０－８Ｘ．０９１０１ｉ１７Ａｂｔａｔｏｔｏｎｏｍｕｉａｉｎｎｄｓｗｒｓｇｅｎｔｉａｅ，ｂｓｄｏ３１６，ｔｏｍｙｔｍｒｓｒｃ：ＣｎｒｌａｄｃｍｎｃｔｏｅｅｅｄｅｉｎｄｉｈｓｐｐｒａｅｎＰＬ０ｏｏｆｒａｓｓｅｆｏｒｏｐｌｎｅｃｎｏ，ｗｔｄｅｔｓｕｎｅｓｅｔｍｓｒａ（ＳＳｎｏｅｌｅｃｒｅｏｍｎａｏ（ＬＣｅｔａｐｉｃｏｔｌｉｉｃｅｅｃｐｃｕｐｅｄＤＳ）ａｄｐｗｒｉａｒｒｃｍｕｉｔｎＰＣ）ｍｅａｒｈｒｑｒｎｉｃｉｔｃｎｌｇｅｈｏｏｙ，ｕｉｇｈｍｅｌｗ－ｏｔｇｐｗｅｉｅａｈｒｎｍｉｓｏｄａｓｎｏｏｖｌｅｏｒｌｎｓｔｅｔａｓｓｉｎｍｅｉ．Ａｍｏｅｎｄｔｒｍｅｆｒａｗｅｅａｄｌａｄａａａｆａｏｍｔｒｄｆｎｄ，ａｒｏ－ａｄｉｇｍｅｈｎｓｗｅｅｐｅｅｔｄ，ａｔｒａａａｙｆｔｅｃａａｔｒｓｉｓｏｈｏｅｎｈｈｎ１ｉｅｉｎｅｒｒｈｎｌｎｃａｉｍｒｒｓｎｅｆｎｌｓｓｏｈｈｒｃｅｉｔｃｆｔｅｎｄｓａｄｔｅｃａｅ．ｅＴｅｅｐｍｅｔｒｅｕｔｈｗｈｅｓｓｅｗｓｒｎｉｇｉｏｄｃｎｉｏｈｘｄｎａｙｒｓｌｓｓｏｔｙｔｍａｕｎｎｎｇｏｏｄｔｎ，ｃｎｃｎｒｌａｐｉｎｅｅｆｃｉｅｙｈｙｔｍｉａｏｔｏｐｌｃｆｅｔｌ．Ｔｅｓｓｅａｖｈｓｌｗｃｓ，ｓａｌｅｆｒａｃ，ａｄａｗｉｅａｐｉａｉｎｐｏｐｃ．ａｏｏｔｔｂｅｐｒｏｍｎｅｎｄｐｌｃｔｏｒｓｅｔＫｅｒｓＬＣＣｙｗｏｄ：ＰａｐｉｎｅｐｌａｃｒｍｏｅｃｎｒｌｅｔｏｔｏＰＬ０３１６ｃｍｍｕｉａｉｎｍｏｅｏｎｃｔｏｄｌｅｒｒｈｎｄｉｇｌｏａｌｎＯ引言系统由１主控节点、干受控节点、压电力线网络组个若低随着科学技术的发展和人民生活水平的提高．何遥控家成。如主控节点和受控节点分别直接与２０２Ｖ低压电力线相连。家用电器引起越来越多关注目前已有的技术主要采用以下几种用电器直接连接到受控节点上主控节点由低压电力线载波模传输方式：双绞线传输、力线传输、牙等无线传输。双绞线电蓝块（下简称载波模块）键盘、晶显示屏组成；控节点由载以、液受电器开关模块组成。系统硬的件核心是载波模块，括包传输价格低、行可靠。是需要重新布线。运但电力线不需要铺设波模块、附加线路．使用简单．但由于国内外电力线信道特性的差别——干扰大以及阻抗匹配不稳定，输稳定性受到影响。蓝传主控芯片Ｐ３０Ｌ１６及其外围电路：率放大及发送滤波电路、功载波耦合电路、载波接收电路、瓷滤波电路。见图ｌ。陶闭牙传输可移动性佳。用便利，使但蓝牙协议尚未彻底规范，通讯距离比较短，同时成本居高不下『１］。针对以上情况．采用低成本的传输介质——低压电力线．并专门设计通信协议，计了家电遥控系统。这种基于家庭电设力线网络的系统方便、济，要在家电与电力线之间放置一经只鹭图１低压电力线载波模块圈个受控节点．能实现遥控。就１系统硬件设计１１硬件总体结构．‘１２核心芯片Ｐ３０．Ｌ１６Ｐ３０Ｌ１６是专为智能信息家电、远程监控等设计的单芯片作者简介：序贤硕士研究生。研究方向为电子设计自动化。程８机电一体化ｌ。９；４ｏ１２Ａａｅｉ?ａｅ暖吸■圈圜ｃｄｍｃＰｐｒｌｓ片上系统。内含兼容单片机８５它０１的高速微处理器．过软件通配置控制载波通信．使用方便芯片集成了专用电力线载波调制及通信电路，制／调过程采用二相相移键控（ＰＫ）术。调解ＢＳ技１３各部分电路原理及功能．图３受控节点与开关模块连接框图１３１功率放大及发送滤波电路＿．．．载波发送时．Ｌ１６内部产生的ＢＳ调制方波从Ｐ．Ｐ３０ＰＫ１２１１调制方式分析７脚输出。调制方波的功率很小．须对它加以放大才能在电力必目前我国电器的电磁兼容控制不是很严格．因此家庭电力线信道中有效传输。放大电路采用推挽式功放电路，的直流它偏置电源的电压直接影响载波发射功率。适当提高电压幅值、增大电源功率．以延长通信距离可线信道的噪声十分严重。信道特性表现为工作环境恶劣、路线阻抗小、号衰减强、扰严重且时变性大等【１通信模型仿真信干４。ｌ５表明．有的载波调制技术中，接序列扩频（ＳＳ具有较强现直ＤＳ）放大电路输出的载波信号含有丰富的谐波．其中二次、三次谐波是主要的干扰信号。采用Ｌ串联谐振电路将载波信号Ｃ滤波整形．滑为近似正弦波．以减少谐波对家庭电网稳定平可性的影响１３２载波耦合电路－＿的抗干扰性能．即使在信号衰减严重、噪声干扰的家庭低压强电力线信道下仍能够正常通信Ｉ因此系统采用ＤＳ６１；ＳＳ载波通信技术．具有良好的抗带内同频干扰特性、敏度高，本能够它灵基保证节点间通过家庭低压电力线进行有效通信２１．．通信频率选择２耦合电路包含１个耦合电容．它起隔离载波模块和２０２Ｖ相对低压电力线上５ｚ工频信号．波调制信号属高０Ｈ的载频信号。高频点．号的衰减与频率密切相关，在信只有选择合适交流强电信号的作用．防止电力线上的浪涌或冲击电流等高能能量信号损坏载波模块除此之外．电力线和耦合线圈之间在串联安防电容．以防止雷电导致的瞬间电流增大对载波模块产生影响１３＿３载波接收电路－的中心频率，能保证节点问通信的有效性。才实验数据表明．１０ｋｚ右．民电力线网络中，波在０Ｈ左居载传输特性较稳定，波信号衰减较小，衰减程度随负载的断载且开或连接变化幅度不大因此．统使用中心频率为１０ｋｚ；系２Ｈ的调制信号２２通信协议设计．接收电路包含１并联谐振电路．现对有效信号的带通个实滤波选取品质因素较大的滤波电路可提高载波接收灵敏度。１３４主控节点．－通信协议是硬件系统实现有效通信的重要支撑．对通信是包主控节点的键盘采用４４中断扫描矩阵式按键，使用链路上数据传送方式的规定．括数据格式定义以及数据位定ｘＰ３０Ｌ１６的Ｐ２口作为行线和列线的输入。线作为芯片外部中行断０的输入。晶显示屏选用内置驱动电路的中文点阵液晶模液义等。根据ＰＣ的特点．合系统通信要求．建了一种基于ＬＣ结构块［可显示４８个中文字符Ｐ３０４１，ｘＬ１６通过Ｐ口向液晶模块输载波模块的电力线载波通信协议。Ｏ出数据．示用户菜单、制信息以及反馈信息。见图２显控。２２１通信模型．．通过分析主控节点和受控节点之间的实际通信过程．通将信协议分为３层．物理层、据链路层、用层。即数应物理层采用ＤＳＳ技术及ＢＰＫ调制解调方式，以２０ＶＳＳ２家庭低压电力线作为传输介质，立主控节点和受控节点之间建的物理连接。数据链路层规范了节点间传输数据的帧格式，应用层提为图２主控节点键盘及液晶电路框图供有确认的连接。采用错误处理机制。低由于线路噪声、道降信不稳定引起的数据帧出错概率应用层提供网络和用户界面之间的接Ｅ服务，规定了用ｌ１．受控节点－５３受控节点中．Ｌ１６的ＰＰ３０２口的每一位分别连接一个电器开关模块．即每个受控节点可控制８只电器。电器开关模块采户数据的格式与内容。．２２用光电耦合芯片ＭＣ０１将ＰＯ３６。２口任意位清０或者置ｌ即可２．数据帧格式，关闭或者开启相应的电器。见图３。２系统软件分析与设计２１调制方式及通信频率选择．根据载波模块通信需求．参考ＤＸ以太网和ＩＥ８２ＩＥＥ０．３的帧格式．计节点间通信的帧格式见图４设。（）导域１前系统的载波模块采用ＤＳＳＳ技术，因此每次２０１机电一体化８０｛５暖吸—圈融ｌｃｄｍｃＰｐｒａｅｉ?ｅＡａｓ（）时器溢出：１定（）定时器溢出前收到序号为ｓ的应答帧．但校验码２在错误：图４节点间通信帧格式（）在定时器溢出前收到序号不等于ｓ应答帧。３的受控节点接收到一帧数据．先检查帧序号是否与上一帧首数据的帧序号相等：不等，续进行后续处理，理完毕向主若继处传送有效数据前至少需要发送４０个位全“”Ｈ作捕获和同步ｌ，ｊ训练码。接收数据时．获和同步过程由硬件自动完成捕（）同步帧头由于电力线噪声一直存在，有效数据前控节点发送一个应答帧．的帧序号等于接收到的数据帧的序２在它增加同步帧头．高传输可靠性．用“ｘ９Ｆ作为同步帧头，提．选００Ａ”号：相等，为上一帧数据帧的应答帧传输出错，若认向主控节点它是自相关性高、白噪声互相关性差的优选序列，有效抵重发应答帧与可抗电力线噪声（）目标地址目标受控节点地址。系统包含若干个受控３节点．每个受控节点分配１为个特定地址、（）数４据用户数据包括帧类型、器编号、作内电操２３软件流程设计＿主控节点主程序包括初始化程序、晶显示程序、盘中液键断处理程序、波中断程序、据成帧程序等。载数受控节点主程序巾．置数据帧接收完毕标志位．环查设循询此标志位，置位则表示接收完毕。随后进行ＣＣ校验、若Ｒ地址及帧序号判断受控节点程序模块有初始化程序、波中断载程序、据帧解析程序、行程序、答程序、据成帧程序等。数执应数受控节点软件流程见图５容，占１节。中帧类型分为命令帧、答帧、询帧等。各字其应查电器编号为目标电器相对受控节点Ｐ２口的编号．需要控制哪只电器．就对Ｐ２口的相应位进行操作。作内容为０表示关『操州电器．０Ｆ为）Ｆ表示开启电器（（）帧序号５主控节点发送的数据帧都有１唯一的帧个序号．控节点之间帧序号互不关联．错误处理机制设置．受为提高通信稳定性（６）校验码对数据帧中的有效数据进行ＣＲＣ校验的结果。有效数据为从目标地址至帧序号，６字节共（）束符７结结束标志．是节点存接收数据时判断接收过程是否结束的依据。波模块检测到帧结束符则终止载波接收载中断．入处理程序：则继续接收数据转否２２．３错误处理机制＿电力线信道的不稳定性会引起传输过程中数据帧被随机损坏．可能完全丢失。根据２．节的分析．控节点和受控也．１２主节点的通信过程中可能会出现如下情况．（）主控节点发送的数据帧丢失，校验码错误这种情１或况下．主控节点等待一段时间后重发数据帧即可、（）受控节点发送的确认帧丢失．校验码错误这种情２或况会导致主控节点重复发送数据帧．受控节点收到重复的数据帧．出重复的控制动作．响系统正常运行作影为了避免上述情况的发生．取了下述错误处理方式采主控节点发送一个序号为ｓ的数据帧ｍ完毕．动芯片内启部的定时器：同时监测载波接收过程。查询是否收到序号为的应答帧图５受控节点软件流程图３实验结果与分析为了测试通信协议及错误处理机制效果。用２台Ｐ利Ｃ机、若在定时器溢出前收到序号为的应答帧．且校验码正块载波模块和Ｒ一３议转换模块各２个、压电力线网络Ｓ２２协低确，认为数据帧ｍ发送成功，闭定时器，回主循环，待组成实验系统，Ｃ机通过Ｒ一３则关返等、ＰＳ２２转换模块与载波模块交互数发送下一帧数据ｍｌ＋若出现下述情况之一，认为数据帧ｍ发送失败．发数则重据帧ｍ：据，拟主控节点与受控节点的通信过程。实验结果见表１模。结果表明．通信失误率在３％以下．明采用文中提出的通说信协议和错误处理机制是可行的：时看到．同通信情况随时间８机电一体化｛０９１６２０１ＡｃｄｍｉＰｐｒａｅｃ?ａｅｓ表１系统通信实验结果参考文献［］杨士元．国智能家居的发展与趋势［］智能建筑，０４４：４１．１我Ｊｌ２０（）ｌ＿７［］张瑞红．于Ｐ３０２基Ｌ１６的低压电力线载波通信硬件设计［］电子设Ｊ．计应用．０４１）１３１４２ｏ（２：２—２．［］田军夏，３路平．文ＬＤ与单片机的４种常用接口［］仪表技中ＣＪ．术与传感器，０５３：９４．２０ｆ）３—２［４］ＭＯＧＡＣＡ，ＲＥＴＷ．ＯＬＳＲＮＨ，ＨＮＬＯＢＲＤＮＡＤＯＮ，ＡｔｎａｉｆｔｕｔｎｏｅｏＣｏｍｍｕｎｃｔｎＳｇｌｎＲｅｉｅｔａｎｍｍｅｃａｎｒｂｉｉｇｉａｉｉ