摘要：为了组成一个家庭电能网络监测和办理各种电器，使一切的电器和谐运转而到达节能最大化的意图，提出了一种依据电力线载波的嵌入式家庭网关的规划计划，并完结了体系的软硬件规划。该网关以ATmega128为主操控器，集成了IT700PIM电力线载波通讯芯片和ENC28J60网卡芯片，移植了uIP协议栈，在智能家庭网关的硬件渠道上完结了嵌入式的web server功用。试验成果表明，该网关到达了规划要求，满意智能家居的要求。
关键词：电力线载波；家庭网关；电能办理；嵌入式web server
导言
在我国，很多电子产品及电器的运用造成了家庭和作业范畴能源消耗的急剧增加，节能问题火烧眉毛。因而组成一个电能网络对用户的电器进行监测并优化各电器的运转，然后到达节省电能的意图，显然是十分必要的。与此一起，跟着数字家庭和智能楼宇的开展，电力线载波(Power Line Communication，PLC)技能从头得到了注重，它不需求从头架起网络就能够进行数据传送，而且在一个家庭或一个楼宇范同内充沛屏蔽了PLC的局限性，十分适用于组成家庭和作业范畴用户的电能网络。
本文规划的依据电力线载波通讯的嵌入式家庭网关，能够经过电力线载波通讯组成用户电能网络，用户能够随时以各种方法登录Intern et对家电进行操控并能够随时查询家电的各种状况，依据电能消费状况拟定合理的用电计划，最大极限地削减电能开销，完结家庭的电能办理。
1 整体规划计划
家庭网关的整体规划计划如图1所示。体系以AVR单片机ATmega128作为中心操控器，担任操控和协涮IT700PIM电力线载波通讯模块、以太网模块的作业，完结各家用电器的操控和电能信息的收集，并在电能网关中完结嵌入式的webserver功用，以便用户内部网络与Internet进行信息交互。
2 硬件规划
2．1 ATmega128操控中心
选用Atmel公司出产的AVR系列单片机中的ATmega128作为PLC节点的操控中心。与一般的8位单片机比较，ATmega128具有运算速度快、资源丰富、功耗低一级特色。ATmega128的最高运转速度可达16 MIPS，具有53个I／O接口、128 KB的Flash、4 KB的EEPROM、4 KB的SRAM、1个SPI接口、2个USART串行接口，很合适用于操控和通讯。在ATmega128运用进程中，首要没计了ATmega128中心板，其他功用模块与ATmega128中心板进行捅接即可完结网关电路的规划。ATmega128的晶振电路、复位电路等根本电路和JTAG调试端口衔接较为简略，在此不作胪陈。
2．2 供电电源
网关选用220 V转5 V的AC／DC，其最大功率为5 W的供电电源，并运用REG1117芯片完结5 V转3．3 V供电电源的没计。网关中中心操控器ATmega128选用5 V电源供电，以太网模块选用3．3 V电源供电。网关供电电源电路如图2所示。
2．3 IT700PIM电力线载波通讯模块
IT700PIM是以色列Yitran公司出产的以高度集成的体系级电力线载波通讯芯片IT700为中心的电力线载波通讯模块。IT700PIM选用DSCK调制方法，集成的模仿前端为其供给了不同的线路驱动才能，使数据传输愈加安稳牢靠。IT700芯片整合了极端强壮的物理层(PHY)、高性能的数据链路层(DLL)以及安稳的网络层(Y-Net)协议。一起IT700芯片还为协议栈装备了一个256KBFlash的8051微操控器，别的还有24个通用I／O端口供实践运用。IT700PIM配有专用的AC／DC电源模块，内部集成信号耦合器，该电源模块的功率为2.5 W，可为IT700PIM模块供给3．3 V直流电源及电力线通讯接口，一起还供给5 V直流电源为其他功用模块供电。
IT700PIM的一切输入引脚均兼容5 V电平，只需给IT700PIM输出到ATmega128单片机的串口信号电平做电平转化即可，电平转化选用4-2输入与门芯片74 HCT08进行通讯。IT700PIM模块的外围电路如图3所示。
2．4 以太网模块
本规划中运用现已开发完结的以太网模块，包括网卡芯片ENC28J60、HR911102A以及相关的外围电路，其间HR911102A内置阻隔变压器和RJ45以太网接口。网卡芯片选用ENC28J60，经HR911102A内置的阻隔变压器和RJ45以太网接口，完结电能网关的Internet接入。
该模块经过SPI接口与电源和操控器相连，网卡芯片ENC28J60选用3．3 V供电电源，ENC28J60的一切引脚均兼容5 V电平，只需求74HCT08完结ENC28J60输出3．3 V电平向5 V电平的转化。以太网模块与ATmega128的连线如图4所示。
3 软件规划
为了完结以太网和电力线载波网络的信息交互，家庭网关需求完结uIP协议栈，并和多主站网络办理协议、Y-Net协议和谐丁作，其软件架构如图5所示。在家庭网关的以太网通讯部分，web servet经过uIP协议栈和网卡驱动程序完结以太网数据包软件部分的收发，用户能够经过客户端web浏览器检查web server中定制的能量信息和向web server发送操控用户电器供电及断电的信息。在用户内部的电力线载波通讯网络中，经过多主站网络办理协议和Y-Net协议完结电能网关和各电器的组网。
3．1 网关的各节点通讯
主程序中确认了节点上电后的运转进程，经过调用IT700PIM模块初始化子程序，IT700网络层协议信息处理子程序，IT700网络层协议地址恳求子程序，IT700串口接纳数据子程序，IT700发送数据报文子程序，来完结网关与各节点的联网与通讯。
3．2 uIP协议的移植
uIP是嵌入式TCP／IP协议栈，只保留了TCP／IP协议不可或缺的部分，将规划重心置于IP(网际协议)、TCP(传输操控协议)、UDP(用户数据包协议)、ARP(地址解析协议)、ICMP(Internet操控报文协议)这些网络层和传输层协议之上，简化了通讯的流程，确保了代码的通用性及结构的安稳性。uIP能够看作一个在其内部完结TCP／IP协议的机器，经过一些API同底层驱动和上层运用程序进行交互。
为了完结uIP协议在ATmega128的移植，本规划运用了uIP协议栈文件中uip和unix目录下的7个子文件：其间uip．c和uip．h作为协议栈的中心部分担任TCP、IP、ICMP协议的完结；uip_arp．c和uip_arp．h担任ARP协议的完结；uip_arch．c和uip_arch．h供给IP校验和函数；ui popt．h用于对协议栈的各种参数进行装备。其间包括IP地址、支撑的IP地址类型、MAC地址、答应的最大衔接数等参数的设定。在服务器端，uIP协议栈经过调用uip_listen()函数侦听来自端口的被迫衔接恳求。
3．3 ENC28J60驱动程序规划
ENC28J60经过SPI与ATrrtoga128完结接口，ATmega128经过SPI接口向ENC28J60发送指令，以拜访和设置相关寄存器、读写接纳／发送数据缓冲区以及履行其他相关操作。ENC28J60驱动程序流程图如图6所示。
ENC28J60首要为上层运用供给3个函数：
①网卡初始化函数：首要完结网卡芯片与操控器SPI接口的初始化；设置接纳／发送数据缓冲器的开始地址及巨细；初始化网卡的作业形式；设置网卡的MAC地址。
②读包函数：当网卡的接纳缓冲器接纳到数据包时，对数据包进行读取，将接纳到的数据包放入大局缓存区，开释网卡接纳缓冲器的内存，并回来数据包的长度。
③发包函数：当大局缓存区有数据包需求发送时，将数据包送入发送数据缓冲器进行发送。
4 测验成果
为测验该家庭网关的联网作用，建立PLC网络通讯试验渠道，它由4个一般节点、一个网关节点和PC机构成。每个一般节点包括一个AVR操控器模块和一个IT700PIM电力线载波通讯模块。试验中网关的PLC模块直接与PC机经过串口相连，PC机运用Yitran公司开发的IT700PLCStu dio软件，在线监督PLC网络的运转，测验各节点能否成功联网及联网所需时刻。为了验证PLC网络通讯的抗搅扰才能，加搅扰后测验各节点能否成功联网及联网所需时刻。
测验成果如表1所列，各节点在两种状况下均可成功联网而且测验联网时刻满意家庭各电器的通讯要求。
使用Dreamweaver网页规划渠道完结了家庭电能办理体系登陆界面和主界面网页的规划，在家庭能量办理体系主界面中，能够检查各个节点的相关信息，一起还能够对各节点进行操控。
本规划中，经过网页左上角节点1、节点2等按钮检查各个节点的能量信息；经过左下角的图片按钮操控各节点供电；经过右边的网络示意图显现各节点是否正常组网。在浏览器中输入电能网关IP地址后，首要进入登陆界面，输入用户名和暗码后进入家庭能量办理体系主页面，如图7所示。从页面的作用能够看出，本规划完结了家庭能量办理体系的根本功用，主页面正确显现了相应的信息，完结了预期的方针。
结语
本文选用ATmega128处理器和IT700PIM电力线载波通讯芯片以及ENC28J60网卡芯片，完结了家庭网关的没计。体系规划计划具有结构简略、成本低、作业方法灵敏牢靠、通讯间隔较远、抗搅扰才能强等特色。
试验证明：该网关能够经过电力线载波通讯组成用户电能网络，然后操控优化各个房问家用电器的运转，终究到达节省电能的意图，能够广泛地运用到智能家庭和智能楼宇体系中。
