智能家居网关设计方案

1、概况
2、系统设计 2.1 电力线传输协议设计
利用电力线来监控家居各类主要电器设备， 避免了CAN总线或以太网等其他有线通信方式 所需的额外布线，也解决了无线信号穿透墙壁 时严重衰减的缺点，具有很好的实用价值。 电力线传输信道质量较差，需要专门设计物 理层规范。
由于是小范围联网，数据量小，实时性要求 不高，无需复杂芯片，可采用简化的MAC层协 议，使用分时传输的发送方式。
DHCP WEB server RIP NAT Firewall SNMP
TCP/UDP
服务 器进 程
IP（Routing table、IP Filtering）
Linux嵌入式系统 硬件层
4、软件设计
服务器进程的功能： 主动模式： 按照先前配置直接控制家电设备的运行。 通过WEB server 接受远程配置。
2、系统设计 2.1 电力线传输协议设计
应用层
数据包号 用户数据
MAC层
目的地址
源地址
数据包号 用户数据 奇偶校验
物理层
前导码
目的地址
源地址
数据包号 用户数据 奇偶校验
2、系统设计 2.1 电力线传输协议设计
应用层
命令+数据 ARQ
CPU
MAC层
定时发送协议 物理地址 奇偶校验
Pห้องสมุดไป่ตู้3106
物理层
3、硬件设计 3.3 电力传输芯片选型
3、硬件设计 3.3 电力传输芯片选型
载波发送电路
载波接收电路
3、硬件设计 3.3 电力传输芯片选型
当发送数据的时候，载波信号由PL3106芯片的PSK_OUT引脚 输出，波形视具体配置而定。经过由VT1、VT2、VT3和VT4组成的 互补推挽功率放大电路后，具有了一定的带负载能力； VD1、VD2、VS4和VS2均起保护作用。载波信号发射功率的大 小与VHH电源相关，提高VHH电压就可提高发送功率，进而提高 通信距离。电容C1和电感L1主要任务是对输出信号进行滤波，减 少各谐波信号对电网的污染。滤波信号经双向TVS保护后，可由 耦合线圈直接耦合到电力线上。
3、硬件设计 3.1 MCU选型
S3C6410是一个16/32位RISC微处理器，基于ARM11内核， 可外接大容量RAM和ROM，性能较强，拥有多个SDIO接口和 UART接口。
选择S3C6410的主要原因是七强大的处理功能，符合路由器实 时处理的要求，同时提供多种服务功能。
3、硬件设计 3.2 无线接口芯片选型
SNMP
TCP/UDP IP（Routing table、IP Filtering）
服务 器进 程
Linux嵌入式系统
硬件层
4、软件设计
服务器进程的功能： 被动模式： 在IP层，所有发往电力传输线网络的数据包被过滤，由服务器 进程解包、识别和转换之后直接发往PL3106芯片。 同理，PL3106芯片接收的数据包不能直接在IP网络上传输，必 须交由服务器进程添加必要信息并进行地址转换之后才能发往以太 网或者是无线网，供PC机处理。
2、系统设计 2.2 网关设计
从PC到设备 1、PC端生成用户数据DATA 2、PC端组装UDP数据报，目的端口10 3、PC端根据表2组装IP报文，源地址192.168.2.2，目的地址192.168.1.2 4、PC端发送以太网帧到默认网关 5、网关监听UDP端口10，收到数据报 6、网关发现目的IP地址为192.168.1.2，在电力线上 7、网关拆出用户数据，根据表1组装MAC帧，目的地址00，源地址01
3、硬件设计 3.3 电力传输芯片选型
接收电路的功能是对来自载波耦合电路的信号进行带通滤波处 理。电阻R3的目的是隔离发送和接收电路，电感L2和电容C12组 成并联谐振回路，对耦合进来的信号进行选频。当谐振中心频率 为120kHz时，若电容C12=0.15nF时，则L1=1.17mH。二极管VD3、 VD4将选频后的信号双向嵌位到±0.7V，对后级电路进行保护； 然后该信号通过C11耦合到SIGIN输入管脚，由内部电路进行载波 检测并译码为二进制数据。
2、系统设计 2.1 电力线传输协议设计
我们不用CSMA/CD，转而设计一种简化的分时发送机制： 在下列时间节点，只要网络上空闲，设备或网关便可主动发送数据： 1、0ms网关发送 2、150ms设备1发送
3、300ms设备2发送
4、450ms设备3发送 以此类推… 在上述约定的分时发送时间到以前，没有任何从设备或网关正在进 行通信，这时可认为网络空闲。否则推迟发送等待下一次机会。 网关控制器每隔一段时间发送校时信号，重启发送时序。 以上协议可有效地避免“碰撞”出现，在实时性要求不高的情况下 获得较高的线路利用率。
UART
UART
HS9016
RJ45
PL3106
载波接收和发送
POWER
CLOCK
4、软件设计

整个系统以嵌入式Linux为基础，由Linux提供进程管理，设备 管理，文件系统管理等基础功能 在Linux的基础上，添加各类程序模块，如图所示

DHCP
WEB server
RIP
NAT
Firewall
3、硬件设计 3.4 以太网电路设计
TCP/IP协议和以太网协议利用软件实现，CPU只需通过串口连接 HS9016隔离变压器实现电压转换
硬件连接如图所示：
3、硬件设计 3.5 系统框图
FLASH MEM 1GB SDRAM 128M SDRAM 128M 按键、LED GPIO BUS S3C6410 SDIO GM320 天线
前导码 PSK 120kHz 250bps
2、系统设计 2.2 网关设计
功能需求：

本身自带无线路由器功能 能实现电力传输协议、802.11协议、以太网协议之间的转换
2、系统设计 2.2 网关设计

两种工作模式

在主动工作模式下，网关按照配置好的命令直接控制家电设备运 行。 在被动工作模式下，网关对电力线上传来的数据作协议转换处理， 以UDP形式在WLAN和以太网上进行广播，使PC机能接收到设 备信息。同时对PC机传来的设备命令作协议转换，发送到电力 传输线上，使设备能接收到PC机的指令。



无论在哪种模式下，在家电设备眼中，控制者都是网关。
网关屏蔽了外部环境的差异。
2、系统设计 2.2 网关设计
被动模式中的地址解析问题
电力线
以太网
2、系统设计 2.2 网关设计
从设备A到PC： 1、设备A发送MAC帧，源地址00，目的地址01 2、网关收到该帧，拆出用户数据DATA 3、网关组装UDP数据报，目的端口10 4、网关根据表1，组装IP报文，源地址192.168.1.2，目的地址为广播地址 5、网关在以太网广播该帧 6、PC端监听UDP端口10，收到数据报 7、PC端根据表2得知这是设备A发出的数据，据此做出反应
无线调制器GM320通过SDIO接口与CPU连接
3、硬件设计 3.3 电力传输芯片选型
PL3106是单片机，带有PSK调制功能，中心频率120kHz，最大波特 率为500bps
PL3106通过串口与处理器连接，利用单片机编程，该芯片可完成全 部MAC层、物理层和部分应用层的功能。但还需外加载波发送/接 收电路
基于ARM平台的智能家 居网关设计
目录
1、概况 2、系统设计 3、硬件设计 4、软件设计
1、概况
智能家居基本任务之一就是能够通过网络对于 各类电器实现控制，由于主要家居电器本身就 有220V交流供电，因此利用电力线实现设备监 控和控制是一种非常有效的方式。 本设计着重于电力线传输协议和网关设计。 基于ARM平台提供协议转换，路由选择，远程 控制等功能
DHCP
WEB server
RIP
NAT
Firewall
SNMP
TCP/UDP
监控 进程
IP（Routing table、IP Filtering）
Linux嵌入式系统 硬件层
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