一种二线制技术的研究与实现

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【摘 要】针对目前市场上智能家居操作复杂、使用效率低以及因用电器的增多而产生布线、开关繁琐等问题，我们提出了一种安全、省电、成本低的智能二线制开关技术。该电路由发射电路和接收电路组成。通过两根电线，将多个用电器通过设定的通信协议进行集中控制。十分适合短距离、多数据的传输。在家居浴霸系统中的应用中表明，该设计能够完成能量/信息的分时传输，且易于安装和实现。

【关键字】二线制；集中控制；能量/信息传输

对于在浴霸系统、智能阳台等多个用电器同时存在于一个环境的系统中时，由于系统的用电设备较为集中，节点较多，在电路控制时就会变得十分繁琐。同时这种控制方式布线复杂，干扰性强，通讯数据以控制信息或状态信息为主，信息量相对较少；通讯实时性相对较弱。为此，我们研究了一种低压直流供电并且成本较低的二线制通讯技术，应用于类似场合。

1.二线制的原理

本文所介绍的二线制技术是指现场控制面板与所需控制的对象联系仅用两根导线，这两根导线既是信号线又是电源线。二线制系统的结构如图1所示。它是由控制面板与控制对象组成。仅仅通过两根电线便可实现对居室多个用电设备的智能控制。不仅安装方便，安全可靠，省工省料省时，并且可以在不改变房屋现有布线的情况下，完成对各个用电设备的安装和控制。尤其适合于家用电器较多的家庭。

我们所设计的控制面板主要由编码按键组成。首先通过功能按键对电路进行编码，按键输入所需控制的电路信号，然后按键编码电路产生的带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号将通过两根电线传送到接收面板，接收电路对所传送的编码地址进行确认核实，若该编码信息被确认为控制面板开关的系统信息，则接收面板通过单片机芯片产生相应的信号对控制对象的继电器进行通断，若不是，则继续等待，继电器状态不改变。通过这种控制方式实现对家庭用电器的控制。

2.通信协议

2.1数据帧格式设计

数据通信方式有两种，一种是串行通信，另一种是并行通信。并行通信速度快，但是可靠性低并且成本较高。考虑到这款设计针对于普通家庭用户，并且传输数据较少，故采用串行通信的方式。串口通信概念非常简单，串口按位发送和接收字节，用于ASCII码字符传输。通过一根线发送数据，能够实现远距离传输。

此设计采用串口通信的同步通信方式，即在发送端正式发送前，先发送一个同步字符去通知接收端，接收端在收到同步字符后，便开始按照双方约定的格式和速率接收数据。协议的格式如表1所示。

首先，发送端在获取的数据位后面添加校验位得到新的字符串，在字符串面前添加帧头和命令字，字符串后面加帧尾，完成第一个数据帧的封装。将封装好的数据进行发送。而接收端根据所得到的帧格式分解出所需要的数据。通信双方按照约定的帧格式进行通信， 完成线路连接、通信故障诊测和数据传输等的功能。

因为该设计预期为控制8个设备，采用二进制，只需三位数据位，每个数据帧表达的意义如表2所示。

帧校验采用了循环冗余校验，是计算机网络和数据通信中应用最广泛的检错码。在发送方将校验位加在数据位后面进行发送，接收端接收到数据后，将数据通过给定的方程计算，得到的结果与校验位进行比较。如果两者数据相同，则传输正确；如果不同，则说明传输错误，即丢弃接收方的数据。

2.2通信规则

为了保证各个用电器能够共享通信线路，在通信过程中必须遵守以下规则。

（1）执行原则当接收端执行一个传输而来的数据时，不允许接收发送端发送的其他数据。

（2）帧头帧尾判别原则 对发送前数据进行关键字替换，对接收数据后数据进行关键字还原，整个发送过程中数据部分不会出现帧头帧尾关键字，保证了数据传输过程中帧头帧尾关键字的唯一性，避免了对接收数据进行分析时产生歧义。

3.系统实现

如图2所示，此电路图为我们的控制面板的电路图，当按键按下时，产生的低压信号将通过IOB1口输出，输出的信号将随即进入LED灯控制区，显示按键按下的情况。同时，IOB1口输出的编码脉冲信号将通过两线中的信号线1进入控制对象的面板中。图中的send信号用于传输开关编码信息。当send为低电平时，由于没有导电沟道，MOSFET处于截止工作状态，没有电流通过。结合图二中第二个图可知，此时A处为高电平，LED灯处于发光状态。当send为高电平时，出现N型沟道，MOSFET处于饱和工作状态，id有电流通过，此时A处为低电平，LED灯处于熄灭状态。高低电平信号通过信号线1进入控制对象的面板中。

如图3所示，控制面板所采用的芯片为EM78156E芯片，使用EM78156E芯片，可控制多达七路的负载。它具有低功耗、宽电压工作范围等特点，同时它的精简指令集易学易用。它具有廉价OTP（一次性写入程式）ROM，小批量生产十分方便，减少MASK风险。其程序也具有保密功能，防止拷贝，保护成果。当高低电平信号通过信号线1进入控制面板时，我们所编写的程序将检测P60口所传送而来的信号，通过P60口编码脉冲信号的变化来控制芯片上P61、P62等IO口的输出，通过IO口的高低电平来驱动继电器的导通和断开，从而驱动用电设备的开关。

4.应用实例

将该二线制技术应用于家居浴霸控制系统中，实现了二线制智能电器开关的集中控制。系统由按键控制发送面板，接收面板以及所需控制的电器设备组成。其拓扑结构如图四所示。由图四可知，各个用电设备连接到接收面板，接收面板通过两根电线与按键控制面板连接。按键控制面板作为主机从接收板上取电，接收板作为从机随时处理主机发送出的信号并对这些信号进行相应的处理来控制用电设备的开关情况。

当用户需要使用其中的某个用电器时，就可以通过对主机上的按键对设备进行操作，当按键按下时，该按键的LED指示灯就会亮起，表明按键的状态，同时按键信号通过接收板，对用电器进行控制。

本文研究了一种结构简单，控制方便的二线制信号传输技术，适用于现代集中控制的智能家居系统，利用脉冲编码实现在两根线上分别对能量和信息的传输，大大简化线路。在不改变房屋现有布线的情况下，完成对各个电器的安装和控制。该二线制技术采用了可编程设计，扩展了其适用范围，并且电路采用直流供电，两根导线之间传输的是微小电流，十分的安全可靠。这种设计具有超强负载能力，可控制多达七路的负载。但是该系统还存在一些问题，如只能进行单向的通信等，还需要进一步研究。