基于电力线的家庭智能网关

【中心议题】

• 提出了一种基于电力线的家庭智能网关
• 给出了硬件实现方案

【解决方案】

• 采用SPC-200c器件作为主处理器
• 集成了USB2.0接口用于视频采集
• 电力线传输的调制方式采用OFDM技术

PLC（Power Line Communication）是一种利用电力线传输数据和话音信号的通信方式。通过传输电流的电力线作为通信载体，PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号就立即可享受高速的网络接入，浏览网页﹑拨打电话和观看在线电影，从而实现集数据﹑语音﹑视频以及电力于一体的“四网合一”！另外，可将房屋内的电话﹑电视﹑音响﹑冰箱等家电利用PLC连接起来，集中控制，实现“智能家庭”的梦想。

目前的PLC应用主要集中在低压的电力线中，室内电力线局域网的技术已相当成熟，传输速率可达到200 Mb/s，完全胜任家庭智能网络的应用。当今智能家居市场的主流是多网融合和电气控制上等低速的应用，随着网络技术的发展，真正实现智能家具，智能家居真正“智能”必须具备高速的数据接入和可靠的视频采集。这里介绍的基于电力线的家居智能网关的实现只是这方面的一个探索，未来的应用将会更丰富多彩。

1系统总体设计

该智能网关系统的总体方案如图1所示，主要实现网络接入和视频采集，前者实现公用以太网到室内电力线局域网的接入；后者实现基于USB2.0接口的视频采集系统，用于室内或室外的视频监控。

根据目前国内各地同轴电缆网络的实际情况，笔者综合考察了Spidcom、Intellon、Entropic等几大主流PLC器件厂商方案以及目前市场状况，选用Spidcom公司的SPC200c器件进行设计，该器件MAC层采用TDMA和CSMA组合技术，且兼容HP1.0，既能很好保证网络服务质量，又能保证终端设备的即插即用，是目前业界首款能支持64个终端用户的解决方案。SPC200c是SPC200e的“瘦身”版，与SPC200e相比，体积更小、能耗更低、接口更精简，是电力线通信物理层专用器件，也是目前速度最快、最为完善的高速PLC器件之一。SPC200c采用OFDM技术，其最大PHY速率224 Mb/s，TCP速率最大可达50 Mb/s，每载波最大支持256QAM，另外将通信频带分成了7个独立的子频段，每个子频段有128个子载频。

目前市场上的视频采集器多采用以太网接口或专用接口，成本高，安装不方便。而基于USB接口的普通PC摄像头，像素已达到千万级，且具有成本低、小巧、即插即用等特点。对于家居监控来说，要求图像质量不高；但稳定性、易用性要求较高；成本比较敏感。

针对以上特点，该系统集成了USB2.0的接口，其最高传输速率为480 Mb/s，完全可以满足家居视频采集数据传输需要，具有很强的可实施性。

2电力线通信中的OFDM技术

众所周知，电力网是用于传输电能的，而不是传输数据，因此电力线是非常复杂的通信媒体。一方面各种用电设备经常频繁开关，给电力线带来大噪声干扰；另一方面电力网时变性和线路分支多的特点使电力信道存在大量阻抗不匹配节点，导致高频信号在电力线信道传输时出现多径传输，并由此产生各种衰落；此外还有电磁兼容等问题。

为满足智能电网的发展需求，正交频分复用（OFDM）多载波调制方式是新型的电力线载波技术。与FSK技术相比，OFDM电力线载波技术具有抗衰减能力强、频率利用率高、适合高速数据传输以及抗码间干扰（ISI）能力强等优势。特别是在抗多径衰落、抗干扰以及自适应调制方面，OFDM电力线载波技术显示出无与伦比的性能优势，因此在自动抄表系统及未来智能电网的发展中，它是一种很有竞争力的技术。

3系统硬件设计

图2所示为该智能网关的硬件系统结构，该系统采用模块化设计方式，主要包括：1）主处理器模块，采用SPC200c作为主处理器，外扩32 MB的SDRAM和32 MB的Flash；2）视频源模块，包括1个USB2.0控制器和1个A型USB接口（母口）；3）以太网模块，包括1个以太网控制器（MII接口）和1个RJ-45接口；4）AFE模块，包括A/D转换模块和耦合模块；5）电源模块，提供3组独立电源（1.2/1.8/3.3 V）；6）调试接口模块，用于系统调试的JTAG接口和串行接口，均使用标准接口定义。

3.1主处理器模块

主处理器模块主要由主处理器SPC200c、Flash和SDRAM组成。其中，SPC200c由1个ARM926EJS的CPU核和自身的AHB（Advanced High-performance Bus）系统总线组成。主频可达400 MHz的ARM926EJ-S是器件的CPU核心，属于ARM的32 bit RISC系列，采用Jazelle技术，负责控制器与外部接口、器件内部各模块之间的信息交互；外部寄存器可以通过两个控制器进行访问：1个用于SDRAM、1个用于静态存储器（例如Flash存储器）。SPC200c包括内部设备（定时器、中断控制器等）、用户接口设备（1个串口、8个GPIO等）和外部的以太网设备接口。其中，以太网接口也具有DMA能力。此外，SPC200c还内嵌1个PLC模块，具有物理层和数据链路层结构，主要用于完成电力线数据信号的调制、解调等工作。PLC模块通过模拟前端和耦合部分于同轴电缆相连。

Flash具有掉电保存数据的功能，常用于存储Bootloader、文件系统、内核等。该系统采用SPANSION公司的S29GL256N（32 MB）Norflash，用于存储Bootloader、板级配置信息、用户文件系统和内核。

SDRAM不具有掉电保持数据的能力，但是由于其存取速度远远高于Flash存储器，因此在系统中主要用于程序的运行空间、数据区和堆栈区。该系统选用MICRON的M48LC8M32B2（32 MB=2 M×32 bit×4 bank）SDRAM，用于OFDM的调制、解调和TDMA与CSMA的协调。

3.2视频源模块

该模块由EPSON公司的S1R72V17 USB2.0控制器、USB电源转换器MAX8586和A型的USB接口（母口）组成。

S1R72V17是一款USB主从控制器LSI（大规模集成电路），支持USB2.0兼容的高速模式。该LSI的主端口和设备端口是共享的，通过控制器的转换可以使其操作在USB主机或USB设备模式下，其与主器件的连接示意图如图3所示。

3.3以太网模块

以太网模块由ICPlus公司的以太网控制器IP101A和含有放大器的RJ-45接口组成。IP101A是兼容802.3/802.3u的单端口快速以太网转换器，支持10/100 Mb/s的传输速率。该器件支持自动MDI/MDIX功能，可简化安装和减少维护费用。IP101A提供了MII（Media Independent Interface）接口、SNI（Serial Network Interface）接口或RMII（Reduced Media Independent Interface），适用于接入到不同类型的10/100 Mb/sMAC。采用先进的CMOS工艺制造，使得器件只需3.3 V的电源，且在自动能量保存模式下可将功耗降到很低。

IP101A与主器件的连接采用MII接口，是目前以太网模块较为常用的接口标准，连接较为简单，此处不再赘述。

3.4模拟前端模块（AFE）

该模块由A/D转换器、低噪声放大器、低通滤波器和同轴F头组成。A/D转换器采用AD9867。AD9867是一个MxFE（Mixed-signal Front-End）集成器件，用于数据传输速率高达75 MS/s的收发器；具有灵活的数字接口、节能模式和发送接收的高度分离等特性，可适用于半双工和全双工应用；节能模式可以减少独立功能模块的功耗，也可以在半双工的应用下停止暂时不用部分；SPI（Serial Port Interface）允许软件编程设置多数模块。

3.5电源模块

该系统需要1.2 V、1.8 V和3.3 V 3种电源，其中1.2 V为SPC200c的核心供电，1.8 V用于USB2.0控制器的核心供电，3.3 V用于其外围供电和其他器件供电。该系统对电源要求较高，系统工作时需提供1 A以上的电流输入，且输入电压的稳定度要在1%以内，稳定的电源对于高速的数据传输至关重要。

图4为电源模块采用模块化设计，即每路电源作为一个模块，且采用统一的模板，如图4（a）所示，各部分除用于调压的2只输出电阻外完全相同。这种设计方式能够集中在模板设计，大大节省开发时间和提高模块的稳定度、可靠性；每个模块在成板后可独立使用，便于解决一路电源不稳定或不符合要求的情况，增强系统的可调试能力；扩展能力强，只需适当调整2只调压电阻就可以产生其他的电源模块，如图4（b）所示。

3.6调试接口模块

该模块包括用于调试的JTAG接口和串行接口。其中，JTAG采用20针小型（1.27 mm）双排插针，标准的20针JTAG线序；UART采用3针的插针（2.54 mm），提供GND、UART-IN、UART-OUT信号，通过外接一个转换电路（使用MAX232）转换为一个标准的9针D型串行接口（公口）。

JTAG接口主要用于Flash的烧写，也用于系统调试；串行口用于宿主机与系统间的通信，用于烧写文件系统和内核镜像、管理镜像表和访问板上操作系统（通过BusyBox）。

4结束语

介绍以SPC200c为核心，基于PLC/OFDM技术的家庭智能网关的一种解决方案，给出系统的硬件架构及具体实现，所实现的智能网关除具有体积小（裸板尺寸为10 cm×7 cm）、数据吞吐率高（实际应用层传输速率最高可达到50 Mb/s）、灵活易用外，还具有很强的扩展性，可以在该平台上通过软件开发实现更多的功能，使家居的智能解决方案更完善。电力线通信作为一种新兴的技术，随着相关技术和标准的不断完善定会在智能家居这个潜力无限的“舞台上”大放异彩。