王勇斌，孫友偉

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710121）

電力線載波（Power Line Carrier，PLC）通信萌芽于20世紀(jì)20年代，在低壓（220V）領(lǐng)域，PLC技術(shù)首先用于負(fù)荷控制、遠(yuǎn)程抄表和家居自動(dòng)化。未來的通信網(wǎng)絡(luò)正在向用戶側(cè)延伸，而物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的一個(gè)重要部分，也是國家“十二五”規(guī)劃中的一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目。如果可以利用現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)廣泛巨大的資源，無需重新布線，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，將會非常便捷的為人們提供服務(wù)。

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)以無線傳感網(wǎng)絡(luò)［1］為主，而基于電力線的物聯(lián)網(wǎng)［2－3］，則是利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建有線物聯(lián)網(wǎng)，可以有效避免節(jié)點(diǎn)電池供電不足、無線電波相互干擾以及無線電波對環(huán)境的影響。如何把電力網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，使之最大限度的發(fā)揮服務(wù)功能，目前還未有有效的方法，因此，必須對原有的接入技術(shù)和無線傳感技術(shù)加以改進(jìn)。

本文擬為電力線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)一種控制平臺，將物聯(lián)網(wǎng)中所有的節(jié)點(diǎn)設(shè)為對等節(jié)點(diǎn)，并為該平臺節(jié)點(diǎn)電路編寫統(tǒng)一的通信、控制和處理軟件，設(shè)計(jì)新的適合電力線物聯(lián)網(wǎng)使用的協(xié)議，開發(fā)新的幀結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)電力線通信與物聯(lián)網(wǎng)平滑互連。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

電力線物聯(lián)網(wǎng)的主要研究場景有生活場景、生產(chǎn)場景和農(nóng)業(yè)場景［4］，其中的用電設(shè)備可以方便地接入網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，為用戶提供舒適的生活方式。不妨選取家庭生活場景作為研究對象。

生活場景中的電力線物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)低速的局域網(wǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以接收轉(zhuǎn)發(fā)信息，如圖1所示。場景中所有需要信息支持的設(shè)備連接在電力線上，電力線上有一個(gè)Internet節(jié)點(diǎn)，設(shè)備之間可以相互通信，當(dāng)設(shè)備需要某些服務(wù)時(shí)也可以將信息通過Internet節(jié)點(diǎn)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，如房間內(nèi)的溫度超過閥值，設(shè)備會聯(lián)系外出的主人詢問是否需要調(diào)節(jié)溫度，而插入土壤的濕度傳感器報(bào)警時(shí)，會把信息發(fā)送給澆水裝置對花盆澆水等等。Internet節(jié)點(diǎn)到以太網(wǎng)需要協(xié)議轉(zhuǎn)換［5］，在此暫不考慮。

圖1 生活場景中的電力線物聯(lián)網(wǎng)

圖2 低壓電力線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力線物聯(lián)網(wǎng)由通信平臺、控制平臺、傳感平臺3個(gè)方面構(gòu)成?？刂破脚_由微處理器以及協(xié)議軟件組成，保證節(jié)點(diǎn)正常穩(wěn)定的工作，為節(jié)點(diǎn)有序通信提供保障，本文重點(diǎn)研究控制平臺。實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇三個(gè)對等節(jié)點(diǎn)A、B、C，如圖2所示，通過電力載波芯片ES0191連接在低壓電力線上，由單片機(jī)AT89C2051控制，傳感器和LED液晶屏連接在單片機(jī)IO口上。節(jié)點(diǎn)A每隔5分鐘將采集的溫度［6］發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)B每隔10分鐘將采集的照度發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C，節(jié)點(diǎn)C每隔20分鐘將采集的濕度發(fā)送給節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。

2 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

基于電力線的物聯(lián)網(wǎng)只需要低速率的數(shù)據(jù)傳輸，選用ES0191作為電力載波芯片。ES0191是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的，采用BPSK擴(kuò)頻調(diào)制，載波頻率為120kHz，傳輸速率500bps，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。圖4為節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖。

圖3 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

圖3 左上角部分為功率放大，對信號的電流進(jìn)行放大，從而對功率進(jìn)行放大，其中4個(gè)二極管是防止信號漂移；左下角部分為電路輸入輸出以及濾波，直接連接在電力線上，濾波器中心頻率為120kHz，帶寬15kHz；中間部分為信號放大，對衰減的信號進(jìn)行前端放大，便于對信號正確的接收。

圖4 電力線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號時(shí)，信號經(jīng)二進(jìn)制移相鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調(diào)制后通過功率放大、變壓后輸出到電力線上；當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收信號時(shí)，信號經(jīng)過耦合、濾波器濾除帶外噪聲，再進(jìn)行信號放大后送給ES0191的ASI口。ES0191工作時(shí)需要外接一個(gè)9.6MHz的晶振，該晶振經(jīng)過16分頻后得到600kHz的本振信號。從ASI口接收到的120kHz輸入信號與內(nèi)部600kHz本振信號混頻后得到480kHz的差頻信號，送出芯片給陶瓷濾波器（480EU）進(jìn)一步帶通濾波，然后再送入芯片進(jìn)行內(nèi)部限幅放大，解擴(kuò)后將數(shù)據(jù)送給單片機(jī)。

3 控制平臺軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議模型

由于電力線通信信道的特殊性，信道干擾強(qiáng)且不穩(wěn)定，需要有高效的通信協(xié)議來保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)有序傳輸。電力線通信協(xié)議目前尚未有國際標(biāo)準(zhǔn)［7］，而是常常采用在以太網(wǎng)中使用的載波偵聽多址接入／沖突檢測（CSMA／CD）技術(shù)［8］，由于電力網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不同于以太網(wǎng)，在電力線物聯(lián)網(wǎng)中使用此協(xié)議不能有效的控制用戶有序通信。無線通信環(huán)境復(fù)雜多變，更接近于電力線環(huán)境，無線局域網(wǎng)常常采用載波偵聽多址接入／沖突避免（CSMA／CA）技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的電力線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用ES0191為電力線通信物理層提供優(yōu)化的編碼、調(diào)制和糾錯(cuò)技術(shù)［9］，數(shù)據(jù)鏈路層采用類似 CSMA／CA 協(xié)議［10－11］。

3.2 載波幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電力線物聯(lián)網(wǎng)通信中，物理層提供設(shè)備與電力線之間的接口，數(shù)據(jù)從源到目的地址傳送通過二進(jìn)制碼元完成。數(shù)據(jù)鏈路層采用半雙工通信方式，鏈路的建立和解除由發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息幀來控制。載波幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在圖5中，預(yù)同步頭：6個(gè)字節(jié)，48比特持續(xù)高電平（0FFH），用于載波芯片捕獲和跟蹤接收到的信號。幀同步頭：幀頭1個(gè)字節(jié)0x09，幀尾一個(gè)字節(jié)0xAF。地址域：用1個(gè)字節(jié)表示地址，最多可以分配256個(gè)節(jié)點(diǎn)。0x01表示節(jié)點(diǎn)A，0x02表示節(jié)點(diǎn)B，0x03表示節(jié)點(diǎn)C。源地址：1個(gè)字節(jié)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址。目的地址：1個(gè)字節(jié)，接收節(jié)點(diǎn)的地址?？刂拼aC：1個(gè)字節(jié)，具體內(nèi)容如圖6所示。

圖6 控制碼結(jié)構(gòu)

在圖6中，D7表示傳送方向，D7＝0：發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令幀，D7＝1：接收節(jié)點(diǎn)發(fā)出應(yīng)答幀。D6表示應(yīng)答，D6＝0：接收節(jié)點(diǎn)正確應(yīng)答，D6＝1：接收節(jié)點(diǎn)對異常信息的應(yīng)答。D5～D2保留，供以后使用。D1～D0表示功能碼，01表示讀數(shù)據(jù)，10表示寫數(shù)據(jù)。屬性：1個(gè)字節(jié)，表示發(fā)送內(nèi)容，0x11發(fā)送數(shù)據(jù)為溫度，0x12發(fā)送數(shù)據(jù)為濕度，0x13為照度。數(shù)據(jù)長度域：1個(gè)字節(jié)，L為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。校驗(yàn)碼：1個(gè)字節(jié)，采用8位CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)地址與采集數(shù)據(jù)的屬性在宏定義中定義。

＃define NODE1 0x01／＊節(jié)點(diǎn)1的地址＊／

＃define NODE2 0x02／＊節(jié)點(diǎn)2的地址＊／

＃define NODE3 0x03／＊節(jié)點(diǎn)3的地址＊／

＃define HOST NODE1

＃define TEMP 0x11／＊溫度碼＊／

＃define WETNESS 0x12／＊濕度碼＊／

＃define LIGHT 0x13／＊照度碼＊／

ES0191第4管腳為看門狗，門限為0.4s，為了避免程序跑偏，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行不死機(jī)，節(jié)點(diǎn)程序中需要不斷喂狗，當(dāng)系統(tǒng)故障或者程序跑偏時(shí)喂狗終止，ES0191會自動(dòng)復(fù)位。

void T0＿time（void）interrupt 1／＊喂狗程序?qū)懺诙?/p>

時(shí)器中斷中＊／

｛

＋＋n；

TH0＝0x3C；

TL0＝0xAF；

／＊定時(shí)器0中斷周期為50ms，當(dāng)n＝4時(shí)，定

時(shí)200ms＊／

if（n＝＝4）

｛

dog＝～dog；

n＝0；

｝

｝

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每字節(jié)數(shù)據(jù)采用高位在前，低位在后的方式。發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的程序如下。

sent＿data＝ w＿data；／＊發(fā)送數(shù)據(jù)＊／

num＝8；

while（num－－）

｛

data＿IO ＝ （bit）（sent＿data＆0x80）；

／＊data＿IO為ES0191數(shù)據(jù)收發(fā)管腳＊／

sent＿data＜＜＝1；

delay（1）；

while（～SYNC）；

d

elay（1）；

｝

3.4 數(shù)據(jù)采集及通信流程

系統(tǒng)采用多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)初始化，啟動(dòng)定時(shí)器，節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)，當(dāng)檢測信道中有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，判斷幀中目的地址是否與自己相符，若相符合則發(fā)出應(yīng)答幀后開始接收數(shù)據(jù)，若不相符則繼續(xù)檢測；當(dāng)定時(shí)到達(dá)時(shí)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)檢測信道是否空閑，若信道繁忙節(jié)點(diǎn)在延遲240ms（同步碼間隔為2ms，傳輸1bit數(shù)據(jù)占用一個(gè)同步碼長，幀長15Byte，故15×8×2＝240ms）后再次檢驗(yàn)，直到信道空閑發(fā)送請求幀，待收到接收節(jié)點(diǎn)發(fā)來應(yīng)答并確認(rèn)后發(fā)送數(shù)據(jù)，若300ms內(nèi)未收到應(yīng)答幀，重新發(fā)送請求，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，等待下一次采集數(shù)據(jù)后再次發(fā)送。

4 小結(jié)

電力線物聯(lián)網(wǎng)以生活、生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)為場景，在電力線上構(gòu)建通信平臺，在微處理器控制下，將傳感器獲得的信息有效的傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，從而滿足人們生產(chǎn)、生活的需要，為人們提供一個(gè)舒適、便利、信息暢通的高效居住生活環(huán)境。

但是電力線通信也存在很多問題：電力線是非均勻不平衡的傳輸線［12－13］，信道時(shí)變性強(qiáng)，線路分支多，多徑效應(yīng)嚴(yán)重，容易產(chǎn)生符號間干擾；由于負(fù)載阻抗的不匹配，信號傳輸會出現(xiàn)反射、駐波、散射等復(fù)雜現(xiàn)象，導(dǎo)致近距點(diǎn)比遠(yuǎn)距點(diǎn)衰耗大；電力線信道干擾情況復(fù)雜，種類繁多。實(shí)驗(yàn)中在幾十米的范圍內(nèi)數(shù)據(jù)可以正確接收，液晶屏顯示正常，隨著測試距離的增加液晶屏顯示混亂。需要對電力線抗干擾技術(shù)，阻抗隔離技術(shù)進(jìn)行研究。

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