電力線載波通信的集群式防盜報警系統(tǒng)

引 言
    電力線載波通信是以現(xiàn)有的低壓電力線網(wǎng)作為信道，通過載波傳輸模擬或數(shù)字信號的技術(shù)，具有不需額外布線、成本低、使用維護方便等特點，已有一些公司推出了電力線Moclem芯片，如ST7536、LMl893、SCll28、PL2000等，在遠程自動抄表、家居信息化、路燈照明監(jiān)控、智能化小區(qū)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
    但是，由于早期推出的電力線Modem芯片傳輸速率
低，頻帶利用率不高，功能單一，因而在實時性要求較高的場合(如防盜、防火等安防應(yīng)用)受到限制。另外，目前市場上的防盜報警器多數(shù)是以單機應(yīng)用為主，沒有通信接口，不能實現(xiàn)大范圍、多點報警信息的傳送和集中監(jiān)控，缺乏時效性；少數(shù)可集群組網(wǎng)的，則需敷設(shè)專線和擴展專用接口，價格昂貴。ST公司近年推出了性能更強的電力線Moclem芯片ST7538，同步／異步方式工作，載波頻率8個，通信速率達4 800 baud，內(nèi)部集成功放驅(qū)動、載波偵聽、看門狗、時鐘輸出等功能，與單片機接口方便，適合低成本嵌入式應(yīng)用。據(jù)此，筆者設(shè)計了集群式防盜報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用其載波偵聽功能，在多節(jié)點通信中提高信道利用率，縮減了響應(yīng)時間，可以有效解決上述問題。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與工作原理
    系統(tǒng)由1個集控單元和若干個現(xiàn)場單元組成，連接到低壓電力線上，構(gòu)成主從通信系統(tǒng)，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(qū)動等電路構(gòu)成；現(xiàn)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(qū)動等電路構(gòu)成。

    系統(tǒng)工作時由集控單元依次向各現(xiàn)場單元發(fā)送含地址信息的詢問碼?，F(xiàn)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(tài)數(shù)據(jù)發(fā)回集控單元處理；如果不是詢問本機，且又無警情發(fā)生，則不響應(yīng)?，F(xiàn)場單元在非查詢期間有警情發(fā)生，會立即發(fā)送報警數(shù)據(jù)，集控單元接收處理后，繼續(xù)原先的輪詢過程。集控單元發(fā)送詢問后在規(guī)定時間內(nèi)收不到應(yīng)答，也會認為該現(xiàn)場單元受到破壞失效，也產(chǎn)生報警。集控單元報警時，會發(fā)出聲光信號、顯示警點號碼，并且通過打印機記錄當(dāng)前時間和警點信息，時間由PCF8563芯片提供。每個現(xiàn)場單元可監(jiān)測8路傳感器開關(guān)量信號，并且有密碼設(shè)置和解鎖功能，由E2PROM芯片24C02存儲密碼，業(yè)主在場時通過鍵盤輸入密碼可取消報警功能，從而避免產(chǎn)生虛警。集控單元一般安裝在保安值班室，現(xiàn)場單元隱蔽安裝于各用戶室內(nèi)。

2 硬件設(shè)計
    ST7538是采用FSK調(diào)制技術(shù)的高集成度電力載波芯片，內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)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(yīng)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(wǎng)中。ST7538還提供了UART／SPI串行接口、看門狗、時鐘輸出、復(fù)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(shè)計中集控單元和現(xiàn)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(shù)據(jù)收發(fā)控制使用的是 P2 口線，當(dāng) RxTx=0、REG／DATA=0時，載波芯片處于發(fā)送模式，TxD輸入向電力線發(fā)送的數(shù)據(jù)；當(dāng)RxTx=1、REG／DATA=O時，進入接收數(shù)據(jù)模式，RxD輸出從電力線上接收到的數(shù)據(jù)；REG／DATA=1時讀寫控制寄存器，設(shè)置芯片功能參數(shù)。CLR／T輸出數(shù)據(jù)收發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)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(diào)制解調(diào)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(xiàn)載波通信的關(guān)鍵，主要包括發(fā)送濾波電路、接收濾波電路和耦合保護電路。發(fā)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(gòu)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(lián)諧振電路，由R2、L2、C3、C2構(gòu)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(shù)碼管分別顯示當(dāng)前時間(時、分)和警點編號(1～99)，采用動態(tài)掃描方式，P0口輸出顯示數(shù)據(jù)，P1．0～P1．5作數(shù)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(shù)據(jù)量不大，單片機和微型打印機采用串口通信，P3．O、P3．1經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換連接到TPμP—AF24L打印機的接口上。聲光驅(qū)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(diào)校功能。接口電路如圖3所示。

    現(xiàn)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(nèi)部振蕩器完成4×4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(shè)INTl為邊沿觸發(fā)方式。當(dāng)DA變高時，經(jīng)過非門變?yōu)榈碗娖教儺a(chǎn)生INTl外部中斷，通知AT89C52讀取鍵值，判斷鍵值從而完成相應(yīng)的散轉(zhuǎn)程序功能。PO．4～7接4個LED，分別用于運行狀態(tài)、功能和按鍵輸入等方面的指示；8路傳感器信號經(jīng)光電隔離輸入P1口，聲光驅(qū)動信號由P3．4、P3．5經(jīng)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(qū)動。接口電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計
    集控單元和現(xiàn)場單元各自運行程序，軟件設(shè)計均采用模塊化形式，整個程序包括初始化、主從通信、數(shù)據(jù)收發(fā)中斷處理、按鍵處理、I／O口掃描、LED數(shù)碼管顯示、微型打印機驅(qū)動、I2C總線讀寫驅(qū)動等程序模塊。設(shè)計內(nèi)容較多，相關(guān)程序可見參考文獻。下面主要介紹主從通信程序設(shè)計。
    在以往電力線Modem的應(yīng)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(yīng)答”方式，即主節(jié)點依次向各從節(jié)點發(fā)送查詢命令幀，目標(biāo)節(jié)點接收到后發(fā)送應(yīng)答幀，主節(jié)點必須接收到該應(yīng)答，才可向下一個節(jié)點發(fā)送查詢。如果從節(jié)點數(shù)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(yīng)答”加以改進，辦法是所有節(jié)點向電力線上發(fā)送數(shù)據(jù)前，先執(zhí)行載波偵聽算法：檢測CD／PD狀態(tài)，若CD／PD=O，則先不立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是延遲隨機時間t(<10 ms)，再檢測CD／PD狀態(tài)，若仍為低電平，此時才啟動發(fā)送；若CD／PD=1，則連續(xù)監(jiān)測CD／PD狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)化為低電平后，才進入延時階段；若同時有多個節(jié)點企圖發(fā)送信息，延時最短的節(jié)點可以最先發(fā)送信息，其他延時稍長的節(jié)點在延時結(jié)束后，便會發(fā)現(xiàn)CD／PD已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高電平，信道已被占用，只好等待下一次發(fā)送機會。通過加入載波偵聽算法，即使現(xiàn)場單元在非查詢期間有警情發(fā)生，仍可有機會獲取信道，優(yōu)先向集控單元發(fā)送告警數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的突發(fā)響應(yīng)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(shè)置。由于電力線上存在各種噪聲，當(dāng)ST7538檢測到工作頻率的噪聲時，會誤以為是載波，使CD／PD=0?？紤]這個原因， 采用同步字符(0101……序列)偵測方式；同時，對數(shù)據(jù)傳輸加以通信協(xié)議，以保證通信的可靠性。做法是規(guī)定數(shù)據(jù)幀格式為：同步字、起始字、源地址、目的地址、控制字、數(shù)據(jù)、校驗碼、結(jié)束字，其中控制字包含數(shù)據(jù)幀長度和傳送正確／錯誤信息。

結(jié) 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(shù)應(yīng)用在實時性要求較高的安防領(lǐng)域提供了有效的解決方案。本文介紹的防盜報警系統(tǒng)，以低壓電力線作為傳輸介質(zhì)，可以實現(xiàn)民用住宅和辦公樓層的多警點實時集中監(jiān)控。在實際運行中，集控單元和現(xiàn)場單元的有效通信距離達到400 m，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，反應(yīng)迅速。