一種家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)*

胡 東，張 盛，林孝康

(深圳市信息科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)深圳研究生院，深圳518055)

1 引言

目前，世界上應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)還是互聯(lián)網(wǎng)，而接入互聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備主要有電腦、手機(jī)或者其他智能終端設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對技術(shù)的應(yīng)用提出了更高水平和更廣領(lǐng)域的要求。人們不但希望網(wǎng)絡(luò)可以解決智能設(shè)備之間的信息交互問題，也希望它能與非智能型設(shè)備進(jìn)行通信和控制，并通過合適的交互形式反饋給用戶。物聯(lián)網(wǎng)［1］的概念隨之提出。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)。一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得原本不方便接入到網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以通過外接或者集成小型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而有了聯(lián)網(wǎng)的可能;另一方面，隨著人們生活水平的提高以及對生活質(zhì)量的期待越來越高，對家用電器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化也提出了更高層次的要求。

電力線通信是一種利用高壓、中壓、低壓電力線作為傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，具有不需要重新布線、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。WirelessHART技術(shù)是一個(gè)健壯的、可用于過程測量、資產(chǎn)管理的無線HART協(xié)議，目前在工業(yè)控制界使用較多。

該文提出一種兼容電力線通信、WirelessHART自足網(wǎng)絡(luò)以及以太網(wǎng)通信的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)型終端系統(tǒng)，探討異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的家用電器智能化發(fā)展方向。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由主控模塊、WirelessHART模塊、電力線通信模塊、以太網(wǎng)模塊組成。

2.1 MCU主控模塊

微控制器是一個(gè)嵌入式設(shè)備的核心，它承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算、資源調(diào)度與數(shù)據(jù)處理功能?？紤]到系統(tǒng)功能的復(fù)雜性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多元性，該文選取由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6芯片作為微控制器芯片。該芯片基于ARM Cortex－M3內(nèi)核，處理速度最高可達(dá)72Mhz，具備單循環(huán)周期運(yùn)算以及硬件除法等特性，并具備多種外設(shè)和豐富的通信接口，具有很高的功能性和擴(kuò)展性。

2.2 WirelessHART 模塊

WirelessHART模塊主要由射頻芯片CC1100E和協(xié)議主控芯片MSP430組成。CC1100E是Texas Instruments公司的一個(gè)RF模塊的芯片，主要應(yīng)用于1Ghz頻段以下射頻通信的模塊，該芯片把RF收發(fā)器與基帶調(diào)制解調(diào)器集成在一起，支持多種調(diào)制格式。MSP430是 TI公司的一個(gè)低成本的16位MCU。

2.3 PLC 模塊

目前，電力線通信芯片有多種選擇，國外一些大公司有很多比較成熟的產(chǎn)品，例如 ST公司的ST7538、ST7540等芯片，Intellon公司的SSC P300芯片以及Maxim公司生產(chǎn)的Max2990芯片等。與此同時(shí)，國內(nèi)一些公司也有了自己的解決方案，如四川科強(qiáng)電子有限公司的KQ－130系列電力載波模塊，杭州新實(shí)科技有限公司的SENS－00電力載波模塊。該文選取科強(qiáng)公司的KQ－130F電力載波模塊作為系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)部分，該模塊具備以下特點(diǎn):符合“中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T698－1999”，采用FSK方式調(diào)制，載波中心頻率127KHz，帶寬達(dá) 8.77KHz，最高通信速率 4.8kbps，并具備高接收靈敏度的特點(diǎn)。

2.4 以太網(wǎng)模塊

該文選取體積較小的ENC28J60芯片作為以太網(wǎng)模塊。該芯片是美國微芯科技公司(Microchip Technology)推出的28引腳以太網(wǎng)控制器，具備低引腳數(shù)、低成本且高效易用等優(yōu)點(diǎn)。具有遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，集成MAC層與PHY層邏輯、支持全雙工/半雙工通信模式、支持SPI接口等特點(diǎn)［2］。

2.5 硬件接口

硬件模塊的協(xié)同工作要靠芯片間的通信接口來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要用到UART接口以及SPI接口。

UART接口是一種通用型異步收發(fā)接口，UART協(xié)議廣泛應(yīng)用于各種接口，包括 EIA、RS－232、RS－485等，現(xiàn)在UART電路已被廣泛集成于各種微控制器中。UART協(xié)議的特點(diǎn)是，在發(fā)送端，它通過并/串轉(zhuǎn)換過程，將一條多字節(jié)指令或信息順序地發(fā)送字節(jié)流來傳輸信息;在接收端，一個(gè)同樣的支持UART協(xié)議的設(shè)備通過串/并轉(zhuǎn)換，將字節(jié)流轉(zhuǎn)換成一條完整的指令或還原成信息。

SPI接口的全稱是Serial Peripheral Interface，是一種可以工作于全雙工模式下的同步數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)，最早由Motorola提出，常用于傳感器件、控制設(shè)備、存儲(chǔ)模塊等接口。SPI通信的雙方分為主機(jī)和從機(jī)，其中主機(jī)可以指定數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu);一個(gè)系統(tǒng)中可以存在多個(gè)從機(jī)，每個(gè)從機(jī)通過片選引腳決定是否處在工作狀態(tài)。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境有多種選擇，該文選取IAR Embedd Worckbench for ARM作為開發(fā)環(huán)境，使用STM32 Firmware Library作為庫來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的軟件。

3.1 主控模塊

主控模塊主要承擔(dān)的功能有初始化STM32F103ZET6芯片、配置系統(tǒng)時(shí)鐘、配置外設(shè)等等功能，然后進(jìn)入處理系統(tǒng)信息的邏輯。

如圖1所示，該系統(tǒng)主要通過循環(huán)處理以太網(wǎng)以及電力線上的數(shù)據(jù)請求。沒有使用串口中斷來提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，主要是考慮到終端系統(tǒng)的擴(kuò)展性，如果有多個(gè)串口設(shè)備接入到終端系統(tǒng)中，或多個(gè)終端設(shè)備之間相互通信，可以通過STM32內(nèi)建的串口多機(jī)通信機(jī)制來擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。

圖1 主控模塊系統(tǒng)流程

3.2 WirelessHART 模塊

WirelessHART模塊的軟件部分，主要由兩層模塊組成。上層控制模塊采用移植版的uCOS嵌入式操作系統(tǒng)，它具有搶占式、實(shí)時(shí)性、多任務(wù)等特點(diǎn);下層模塊采用自主開發(fā)的WirelessHART協(xié)議棧。它可以通過SPI接口與STM32F103ZET6進(jìn)行通信。目前，該模塊已經(jīng)在某電力級無線數(shù)據(jù)終端產(chǎn)品中投入使用，該產(chǎn)品正在量產(chǎn)中。

代碼級的接口主要有兩個(gè)，一個(gè)是數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，定義為:void appSendDataReq(BYTE*txBuffInfo，UINT16 sAddr)，其中第一個(gè)參數(shù)是被轉(zhuǎn)化為字符串的待發(fā)送數(shù)據(jù)，第二個(gè)參數(shù)是設(shè)備地址;另外一個(gè)是一個(gè)字符數(shù)組緩沖區(qū)，定義為:BYTE appRxBuff［APP_RX_BUFF_SIZE］，該緩沖區(qū)緩存由 WirelessHART模塊接收到的數(shù)據(jù)，并通過中斷機(jī)制通知MSP430對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。

3.3 PLC 模塊

KQ－130F模塊連線簡單，僅需要TX、RX兩個(gè)數(shù)據(jù)線連接即可完成通信功能。這兩個(gè)數(shù)據(jù)線的輸入信號，是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號，即5V電壓視為高電平，0V電壓視為低電平。傳輸協(xié)議采取UART協(xié)議，需要將STM32F103ZET6的串口配置為數(shù)據(jù)字長為 9比特、1停止位、9600波特率，然后將STM32F103ZET6的 TX、RX引腳分別接到 KQ－130F的RX、TX引腳。值得注意的是，雖然STM32系列的芯片工作于3.3V電壓下，但是它的非模擬輸入引腳均具備5V兼容特性，并兼容TTL和CMOS電平信號，因此主控模塊和PLC模塊之間可以直接連接，不需要使用上拉電阻提高主控模塊的輸出電平。

一般來講，電力線上由于并接了多種家用電器，各種電器產(chǎn)生的諧波無法避免地會(huì)反饋耦合到電力線上，導(dǎo)致信道噪聲增大。KQ－130F模塊充分考慮到這一點(diǎn)，它提供兩種工作模式，一種是透明工作模式，可以將用戶數(shù)據(jù)與信道噪聲原封不動(dòng)地傳輸并解調(diào)出來，用戶需要自己設(shè)計(jì)幀同步機(jī)制過濾掉噪聲;另一種是自定義工作模式，它提供特定的幀格式，用戶只需要按照幀格式傳輸數(shù)據(jù)，就會(huì)過濾掉不需要的噪聲。對于一個(gè)N(N＜=253)字節(jié)幀，它的幀格式如表1所示。

表1 PLC模塊自定義工作模式下的幀結(jié)構(gòu)

由表1可以看出，幀結(jié)構(gòu)的主要約束條件是:第一個(gè)字節(jié)需要標(biāo)明該幀所含用戶數(shù)據(jù)的長度。另外需要注意的是，由于該模塊的傳輸速度較低，傳輸每個(gè)幀之間需要特定的時(shí)間間隔，具體的時(shí)間間隔計(jì)算方法如下:

Δt=(N+4)*0.09(s)

即幀的總字節(jié)數(shù)，加上4字節(jié)的前導(dǎo)碼，乘以字節(jié)間間隔0.09秒，即是PLC模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的幀間間隔時(shí)間。以8字節(jié)幀長度為例，至少每隔(8+4)*0.09=1.08秒才能發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。

3.4 以太網(wǎng)模塊

ENC28J60模塊采用SPI接口與微控制器模塊直接通信，收發(fā)數(shù)據(jù)和傳輸控制命令。該模塊主要包含三個(gè)部分。

首先是ENC28J60芯片驅(qū)動(dòng)，主要是初始化、配置ENC28J60，以使其處于正常的工作模式下。這里的配置，主要是由STM32F103ZET6通過SPI接口操作ENC28J60的控制寄存器實(shí)現(xiàn)。

其次是移植版的TCP/IP協(xié)議棧，考慮到資源的有限性，該文移植了一個(gè)最小化的TCP/IP協(xié)議棧，僅包含用于地址解析的ARP協(xié)議、用于調(diào)試目的的ICMP協(xié)議、用于支持上層應(yīng)用的TCP/UDP協(xié)議。

最后是一個(gè)Web服務(wù)器，該Web服務(wù)器提供一個(gè)簡單的Web頁面，用于查詢系統(tǒng)自身以及一些外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，便于用戶掌控系統(tǒng)。

4 應(yīng)用舉例

基于上述設(shè)計(jì)，一個(gè)兼容PLC和以太網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)家庭智能終端系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)完成。設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的基于傳感器的智能照明控制系統(tǒng)，以測試系統(tǒng)。

在上述設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，添加了一個(gè)PIR人體感應(yīng)紅外傳感器模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)模塊。其中傳感器模塊采用CS9803熱釋電人體感應(yīng)傳感器芯片，通過STM32F103ZET6的GPIO腳連接到主控模塊，通過STM32F103ZET6的外部中斷模式對傳感器的信號作出實(shí)時(shí)反應(yīng);繼電器驅(qū)動(dòng)模塊采用達(dá)靈頓電路驅(qū)動(dòng)，可以利用STM32F103ZET6輸出的高電平信號控制220V家用電線。同時(shí)，為以太網(wǎng)模塊的Web服務(wù)器增加一個(gè)照明燈指示功能，通過探測繼電器引腳的高低來判斷當(dāng)前繼電器以及照明電路的狀態(tài)。

經(jīng)過實(shí)踐，該系統(tǒng)可以對4米范圍內(nèi)的人體信號做出快速反應(yīng)，打開照明系統(tǒng);并能通過Web服務(wù)器查詢和控制照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)，具備智能控制的特點(diǎn)。另外，在未來的工作計(jì)劃中，將會(huì)通過兼容基于PLC的智能抄表系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對用電的靈活控制，提高電能利用率。

5 結(jié)束語

該文提出了一種基于PLC的家庭智能終端系統(tǒng)，在結(jié)合一些外圍設(shè)備，如無線傳感器的情況下，該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)智能化控制家用電器的目的，又實(shí)現(xiàn)了兼容電力線通信的功能，未來可以與智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的基于PLC技術(shù)的智能抄表設(shè)備相配合，打通了智能家居與智能電網(wǎng)系統(tǒng)之間的障礙。本系統(tǒng)還可以利用WirelessHART網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制系統(tǒng)通信，擴(kuò)展了WirelessHART技術(shù)的應(yīng)用范圍。

［1］Kevin Ashton.That＇Internet of Things＇Thing［EB/OL］.RFID Journal.22 July 2009.http://www.rfidjournal.com/article/view/4986.

［2］緱延軍.基于ENC28J60的嵌入式異構(gòu)網(wǎng)關(guān)與Web應(yīng)用［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(2):263－268.