電力線載波通信的集群式防盜報(bào)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(guò)載波傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)的技術(shù)，具有不需額外布線、成本低、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，已有一些公司推出了電力線Moclem芯片，如ST7536、LMl893、SCll28、PL2000等，在遠(yuǎn)程自動(dòng)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(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合(如防盜、防火等安防應(yīng)用)受到限制。另外，目前市場(chǎng)上的防盜報(bào)警器多數(shù)是以單機(jī)應(yīng)用為主，沒(méi)有通信接口，不能實(shí)現(xiàn)大范圍、多點(diǎn)報(bào)警信息的傳送和集中監(jiān)控，缺乏時(shí)效性；少數(shù)可集群組網(wǎng)的，則需敷設(shè)專(zhuān)線和擴(kuò)展專(zhuān)用接口，價(jià)格昂貴。ST公司近年推出了性能更強(qiáng)的電力線Moclem芯片ST7538，同步／異步方式工作，載波頻率8個(gè)，通信速率達(dá)4 800 baud，內(nèi)部集成功放驅(qū)動(dòng)、載波偵聽(tīng)、看門(mén)狗、時(shí)鐘輸出等功能，與單片機(jī)接口方便，適合低成本嵌入式應(yīng)用。據(jù)此，筆者設(shè)計(jì)了集群式防盜報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用其載波偵聽(tīng)功能，在多節(jié)點(diǎn)通信中提高信道利用率，縮減了響應(yīng)時(shí)間，可以有效解決上述問(wèn)題。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與工作原理
    系統(tǒng)由1個(gè)集控單元和若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)、ST7538電力線接口、面板式微型打印機(jī)和LED顯示、時(shí)鐘、聲光驅(qū)動(dòng)等電路構(gòu)成；現(xiàn)場(chǎng)單元由AT89C52單片機(jī)、ST7538電力線接口、傳感器信號(hào)接口和鍵盤(pán)、E2PROM、聲光驅(qū)動(dòng)等電路構(gòu)成。

    系統(tǒng)工作時(shí)由集控單元依次向各現(xiàn)場(chǎng)單元發(fā)送含地址信息的詢問(wèn)碼?，F(xiàn)場(chǎng)單元收到后，如果和本機(jī)地址相符，將上次查詢后到此次查詢間的報(bào)警狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)回集控單元處理；如果不是詢問(wèn)本機(jī)，且又無(wú)警情發(fā)生，則不響應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)單元在非查詢期間有警情發(fā)生，會(huì)立即發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)，集控單元接收處理后，繼續(xù)原先的輪詢過(guò)程。集控單元發(fā)送詢問(wèn)后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收不到應(yīng)答，也會(huì)認(rèn)為該現(xiàn)場(chǎng)單元受到破壞失效，也產(chǎn)生報(bào)警。集控單元報(bào)警時(shí)，會(huì)發(fā)出聲光信號(hào)、顯示警點(diǎn)號(hào)碼，并且通過(guò)打印機(jī)記錄當(dāng)前時(shí)間和警點(diǎn)信息，時(shí)間由PCF8563芯片提供。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)單元可監(jiān)測(cè)8路傳感器開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并且有密碼設(shè)置和解鎖功能，由E2PROM芯片24C02存儲(chǔ)密碼，業(yè)主在場(chǎng)時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)輸入密碼可取消報(bào)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(chǎng)單元隱蔽安裝于各用戶室內(nèi)。

2 硬件設(shè)計(jì)
    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(dòng)控制，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路，只要通過(guò)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(mén)狗、時(shí)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(jī)相連接。本設(shè)計(jì)中集控單元和現(xiàn)場(chǎng)單元的ST7538與單片機(jī)和電力線接口電路如圖2所示。

    ST7538和單片機(jī)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(shí)，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(shí)，進(jìn)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(shí)讀寫(xiě)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(shí)鐘信號(hào)，與單片機(jī)的外部中斷INTO相連，單片機(jī)以中斷的方式完成對(duì)ST7538的讀寫(xiě)，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(tīng)信號(hào)，ST7538檢測(cè)到工作頻率的載波時(shí)，CD／PD=0；無(wú)載波時(shí)CD／PD=1。P2．6輸出ST7538喂狗信號(hào)。
    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(shí)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(hù)電路。發(fā)送濾波電路將ATOPl、ATOP2輸出的載波信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除摻雜在信號(hào)中的諧波噪聲和偽信號(hào)，從而將處理后的信號(hào)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(gè)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(wú)用信號(hào)和噪聲，將有用的載波信號(hào)輸入給ST7538，采用并聯(lián)諧振電路，由R2、L2、C3、C2構(gòu)成二階無(wú)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(hù)電路用來(lái)隔離交流220 V強(qiáng)電信號(hào)，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(hào)對(duì)后級(jí)電路的損壞。ST7538的Vsense、CL腳用于引入對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)行自動(dòng)增益控制的反饋信號(hào)。
    集控單元顯示部分使用6個(gè)LED數(shù)碼管分別顯示當(dāng)前時(shí)間(時(shí)、分)和警點(diǎn)編號(hào)(1～99)，采用動(dòng)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(shí)鐘芯片PCF8563和單片機(jī)通過(guò)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(jī)和微型打印機(jī)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(jī)的接口上。聲光驅(qū)動(dòng)信號(hào)由P3．4、P3．5通過(guò)光電隔離后輸出。P2．7和P3．6、P3．7接按鍵，分別作報(bào)警確認(rèn)和時(shí)鐘調(diào)校功能。接口電路如圖3所示。

    現(xiàn)場(chǎng)單元鍵盤(pán)接口采用專(zhuān)用鍵盤(pán)管理芯片74C922，其編碼(BCD)輸出可直接與單片機(jī)P0．O～3相連，內(nèi)部振蕩器完成4×4矩形鍵盤(pán)掃描，有按鍵時(shí)，DA變高，通過(guò)非門(mén)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(shí)，經(jīng)過(guò)非門(mén)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(gè)LED，分別用于運(yùn)行狀態(tài)、功能和按鍵輸入等方面的指示；8路傳感器信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入P1口，聲光驅(qū)動(dòng)信號(hào)由P3．4、P3．5經(jīng)光電隔離后輸出，WC24C02的SCL、SDA和單片機(jī)P3．6、P3．7連接作I2C總線，P2．7用于按鍵“BEEP”提示音驅(qū)動(dòng)。接口電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    集控單元和現(xiàn)場(chǎng)單元各自運(yùn)行程序，軟件設(shè)計(jì)均采用模塊化形式，整個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)、I2C總線讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)等程序模塊。設(shè)計(jì)內(nèi)容較多，相關(guān)程序可見(jiàn)參考文獻(xiàn)。下面主要介紹主從通信程序設(shè)計(jì)。
    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(diǎn)依次向各從節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令幀，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到后發(fā)送應(yīng)答幀，主節(jié)點(diǎn)必須接收到該應(yīng)答，才可向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢。如果從節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，而且通信速率比較低，則耗時(shí)較長(zhǎng)，影響實(shí)時(shí)性。ST7538在此方面有了很大改進(jìn)，除了通信速率高(可達(dá)4800 baud)外，還增加了載波偵聽(tīng)功能，可以減少?zèng)_突，提高信道的利用率。因此利用此功能對(duì)“輪詢應(yīng)答”加以改進(jìn)，辦法是所有節(jié)點(diǎn)向電力線上發(fā)送數(shù)據(jù)前，先執(zhí)行載波偵聽(tīng)算法：檢測(cè)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(jī)時(shí)間t(<10 ms)，再檢測(cè)CD／PD狀態(tài)，若仍為低電平，此時(shí)才啟動(dòng)發(fā)送；若CD／PD=1，則連續(xù)監(jiān)測(cè)CD／PD狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)化為低電平后，才進(jìn)入延時(shí)階段；若同時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)企圖發(fā)送信息，延時(shí)最短的節(jié)點(diǎn)可以最先發(fā)送信息，其他延時(shí)稍長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)在延時(shí)結(jié)束后，便會(huì)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(jī)會(huì)。通過(guò)加入載波偵聽(tīng)算法，即使現(xiàn)場(chǎng)單元在非查詢期間有警情發(fā)生，仍可有機(jī)會(huì)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(tīng)功能通過(guò)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(cè)到工作頻率的噪聲時(shí)，會(huì)誤以為是載波，使CD／PD=0?？紤]這個(gè)原因， 采用同步字符(0101……序列)偵測(cè)方式；同時(shí)，對(duì)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(yàn)碼、結(jié)束字，其中控制字包含數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度和傳送正確／錯(cuò)誤信息。

結(jié) 語(yǔ)
    ST7538是一款集成度高、功能強(qiáng)大的電力線Modem芯片，其中的載波偵聽(tīng)功能，為電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用在實(shí)時(shí)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(bào)警系統(tǒng)，以低壓電力線作為傳輸介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)民用住宅和辦公樓層的多警點(diǎn)實(shí)時(shí)集中監(jiān)控。在實(shí)際運(yùn)行中，集控單元和現(xiàn)場(chǎng)單元的有效通信距離達(dá)到400 m，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，反應(yīng)迅速。