1 导言
电力线载波通信运用电力线作为信号传输的通道，完结工程上的“最终一公里接入”的通讯需求。因为电力线载波运用大部分电器所需的电力供应线路接入，所以不需求供给别的的专用通讯线路，在用户运用快捷性、装置施工和节约线路本钱上具有很强的优势。
本文针对这个问题提出了一种依据电力线载波和mesh主动组网技能的楼宇自控体系，因为电力线载波技能运用已有的电力线作为信息传输的前言，这样不只能够省却用户初期装置体系的布线费事，并且后期维护也会比较简略，具有比较好的远景。
2 体系简述
2.1 体系物理拓扑结构
依据电力线载波的通讯体系在通讯物理线路上运用电力线，因为电力线的特色，网路拓扑是典型的总线型网络，拓扑结构如图1所示。
关于跟受控设备直接衔接的终端器将扮演从机的人物，用户终端通过电力线与其他终端构成总线型局域网，别的一端便是各种检测和操控量的衔接。在每个楼宇或许小规模内装置一个会集操控器，然后装备pc或许电脑终端，这样楼宇办理人员就能够会集搜集信息或许进行办理。
2.2 体系软硬件与网络栈模型
楼宇主动化体系实践是个典型的计算机通讯体系。本文的规划使命首要有依据电力线通讯技能受控节点操控器，电力线通讯网络中继，以及与pc接口的电力线网关。触及软硬件的规划和网络技能。本体系选用参照osi参阅模型并依据实践情况做修正和削减的方法来规划网络仓库，网络栈模型图2所示。
物理层运用民用的220v电力线线路。数据链路层处理信道的争用和抵触检测。mac，鉴于电力线载波的特色，在数据链路层参加相似无线网络的节点信息传送机制，跟网络层合作完结主动组网，即mesh网络技能。这样规划有利于节点通讯终端的调试和装置，能够做到即插即用。因为楼宇主动化体系的数据通讯量不大，依据电力线的组网技能也在必定程度上简化了网络拓扑，所以不需求完结十分复杂的网络层和传输层。数据传输的操控查验能够在运用层依据需求完结。这样比较有利于下降体系复杂度，牢靠性也相应的添加。
3 硬件规划
3.1 体系硬件结构规划
本体系触及三种类型的硬件，电力线通讯操控器、电力线路中继和以太网的桥接器。其间电力线通讯操控器（plc操控器）和中继器硬件结构共同，不同的是软件功用支撑。以太网桥接器比plc操控器多了以太网扩展，可是少了跟受控设备的通讯部分电路。图3为体系硬件网络结构图。
如图3中描绘，在本体系中mi200e调制解谐和stm32以及stm32 硬件io的操控输出构成plc操控器；由mi200e和stm32mcu构成中继器，在信号衰减后用以连续网络；由mi200e调制解调电路，stm32mcu以及enc28j60构成电力线到ethernet/internet桥接器，构成完好的网络硬件体系。
3.2 通讯终端规划
通讯终端硬件结构好像4所示 。通讯终端运用mi200e电力线路载波专用芯片与arm cortex单片机stm32 f103c8t6接口，这样体系协议便于针对运用进行修正和晋级。stm32 f103c8t6为32位arm cortex-m3单片机，具有比较高的运算才能，主频达72mhz，一起供给丰厚的硬件接口。
体系中一起具有io、ad输入输出与外部受控设备接口，一起用spi扩展以太网芯片便利作为到以太网的桥接器运用，一起，体系具有rs232接口输出，能够与pc相连，或作为调试或扩展为485等桥接。
3.3 mi200e发送耦合电路
发送耦合电路的功用便是将单片机传送的数据进行编码调制，再将功率放大之后耦合到220v的高压电路上面，好像5所示。
因为mi200e内部自带调制、滤波、数字功放电路，所以外围电路简练。mi200e的功率放大输出pa、pb输出后通过l6、c9构成的lc无源带通滤波器再滤波处理后送入信号耦合变压器，再通过耦合变压器到220v电力线路的通路传送。这儿要点阐明下耦合变压器部分电路，因为220v归于人身风险强电，而mi200e的输出为10vpp的弱电信号，因而耦合变压器在这儿有两个人物，一是其初级和安规电容c8构成高通滤波器，阻断了50hz沟通工频信号，确保了芯片电路的安全，别的一个人物是次级跟外围电路一起构成带通滤波器，有助于调制信号的挑选。别的图中电路rxtx_n操控两个mos管构成的开关电路，这部分电路是在mi200e发送的时分协助改进信号的波形。耦合电路中d1、d2两个tvs管，将信号起伏约束在必定规模，对后级电路有维护效果。r7协助安规电容在断电的时分放电，以确保安全。th1为压敏电阻，能够在两头信号冲击很大的时分协助吸收电流，以维护后级的小信号电路不被220v端的冲击电压损销毁。
3.4 mi200e接纳耦合电路
参见图6所示，接纳电路担任将线路上的调制信号提取出来，然后送入mi200e的ra+，ra-两头进行解调。因为信号耦合部分跟发送部分共用，只需求加上简略的lc带通滤波就能够送入mi200e了。由信号耦合变压器送来信号通过c13、l9构成的带通滤波器后直接送入mi200e 23和24脚进入芯片解调。
3.5 spi扩展以太网电路
体系与互联网通讯挑选microchip的spi接口的外扩以太网计划，enc28j60内置10mbps以太网物理层器材（phy）及媒体拜访操控器（mac），可按业界规范的以太网协议牢靠地收发信息数据包，具有可编程过滤功用。特别的过滤器，包括microchip的可编程形式匹配过滤器，可主动点评、接纳或拒收magicpacket，单播（unicast）、多播（mulTIcast）或播送（broadcast）信息包，以减轻主控单片机的处理负荷。可编程8kb双端口sram缓冲器，以高效的方法进行信息包的存储、检索和修正，以减轻主控单片机的内存负荷。该缓冲存储器供给了灵敏牢靠的数据办理机制。enc28j60跟stm32的spi2衔接，电路如图7所示。
4 软件规划
4.1 mi200e数据包收发
mi200e的数据包有根本的格局，数据包首先是两个字节的0xff前导码，后边是0x1a和包长度信息，接着是两字节倍数的数据区，最终面是两个字节的crc16校验码，校验码对0x1a今后的数据进行校验，括包信息和详细的包数据内容（见图8）。
mi200e每隔10ms进行一次数据发送，为了能安稳的树立数据通讯，byte 1～byte4固定运用较低的速率200bps进行数据发送。开始的 4 个 byte 中包括引导码、后续发送选用的波特率和数据长度。在发送完这 4个
byte 后，可通过重新装备形式寄存器改动发送波特率。在运用 1600bps 的速率情况下，每隔 10ms，将发送出 1个word的数据。 因为 byte 4 中 pkg_length 占用了 6 个 bits，因而每一个数据包的数据长度不该超越 64个word。数据包发送流程如图9所示。
mi200e处于接纳状况时，需求重复查询状况寄存器（0x82）的ri、carr、frame 标志。当carr、frame被硬件置‘1’后，先读取接纳形式寄存器（0x83），取出package信息（波特率与数据长度），将接纳到的波特率信息写入形式寄存器（使得收发两头的波特率共同），然后依照获得的数据长度进行接纳，每读取一个word的数据前都需求查询ri、carr、frame 标志，只要在 ri、carr、frame都被硬件置‘1’的情况下，再读取mi200e中的接纳数据。在读取完一切的数据后，查询状况寄存器（0x82）中的 crc标志，判别是否已正确接纳到了数据。数据包接纳流程如图10所示。
图10 数据包接纳流程图
4.2 enc28j60网络驱动规划
本体系选用enc28j60以太网操控芯片，需求编写网络设备驱动程序，以完结低层网络接口及硬件函数驱动。此驱动首要完结enc28j60网络芯片的初始化进程，完结在stm32操控器中加载enc28j60网卡芯片的装备信息，并进行enc28j60的自检功用，如图11所示。
图11 enc28j60网络驱动流程图
4.3 数据链路层规划
mi200e供给了根本的数据包结构和载波侦听功用，这个特性能够仿照ieee802.3mac的规划。这儿在mi200e的数据包中加上节点的mac地址，一起因为是针对操控运用，在mac地址后边组织数据内容的功用描绘码，用于快速获取当时通讯，便于区别播送数据，无需呼应的指令数据和需求呼应的指令数据等。描绘码后边是详细数据内容，因为电力线的广泛性和楼宇操控安全的需求，数据内容能够运用aes128等加密算法加密，一起能够对内容再进行crc32校验，以进一步供给牢靠性和安全性。链路层数据帧格局如图12所示。链路层数据帧格局的规划供给了区别节点的才能，合作mi200e的帧检测机制，能够仿照以太网的总线有用处理线路竞赛问题。链路层数据帖格局。
4.4 网络层规划（mesh）
因为电力线路的固有特性，以至于电力线路的通讯跟无线网络的信道特性十分相似，信号通过一段线路之后必然会有比较大的丢失，所以载波信号在通过一段距离后就无法接纳了，信号的掩盖是一个规模，这个跟无线网络入wifi，zigbee都是比较相似的，一起因为电力线路阻抗的时变性，导致节点在网并不是很安稳，或许一会能够通讯，一会就找不到对方节点了，这个跟无线信号的波动性也比较相似，所以考虑在网络层参加mesh机制的路由特性，能够大大提高通讯的掩盖规模，能够用来组成比较大的网络，满意当时社会大型楼宇的运用需求。
5 结束语
通过实践硬件制作和编写程序测验，本体系可扩展性好，依据mi200e的载波侦听机制，网络有较快的呼应速度，比modbus的轮询机制效率高，因为选用mesh技能，网络装置和装备比较简略，掩盖规模能够扩展到几百米。别的有桥接器的运用，能够比较便利的衔接到互联网。
