李曉迎，孫友偉，姚秋莎

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安710061）

基于電力線物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的設(shè)計

李曉迎，孫友偉，姚秋莎

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安710061）

為了提高由電力線構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的效率及準(zhǔn)確性，通過對現(xiàn)有經(jīng)典協(xié)議進(jìn)行對比分析，對基于電力傳輸線路的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行設(shè)計并且對數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議及其幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，最終設(shè)計出一種適合于電力線傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)家庭環(huán)境的通信協(xié)議。協(xié)議通過C語言編程實現(xiàn)，經(jīng)過調(diào)試并且在搭建的keil+protues平臺進(jìn)行仿真實驗。結(jié)果表明，本文設(shè)計的協(xié)議可保證節(jié)點間的可靠通信。

電力線物聯(lián)網(wǎng)；keil+protues；協(xié)議設(shè)計；可靠通信

下一代網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，經(jīng)由骨干傳送［1］、10G接入［2］和用戶駐地［3］的一步步發(fā)展，如今已經(jīng)到了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的層面。電力線通信（Power Line Communication，PLC），又稱電力線網(wǎng)絡(luò)，指利用既有電力線，將數(shù)據(jù)或資訊以數(shù)位訊號處理方法進(jìn)行傳輸［4］。從20世紀(jì)90年代開始，產(chǎn)生了很多電力線通信協(xié)議。如1997年由Pico Electronics Ltd開發(fā)成功的X-10協(xié)議、日本的家庭總線系統(tǒng)、美國的消費電子總線、局部操作網(wǎng)絡(luò)會話標(biāo)準(zhǔn)等都是國外現(xiàn)有的電力線通信協(xié)議。雖然上述協(xié)議在國外比較流行，但電力線通信網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)發(fā)展還不成熟，而且國外流行的協(xié)議都是行業(yè)協(xié)會進(jìn)行管理，其協(xié)議規(guī)不能免費獲得。更重要的一點是，國外的通信協(xié)議為了適應(yīng)廠家生產(chǎn)的各種設(shè)備，設(shè)計的過于復(fù)雜，對一般的研究和開發(fā)來說并不適合。文中通過對現(xiàn)有協(xié)議的改進(jìn)，設(shè)計出適合于基于電力線傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)構(gòu)架的家庭環(huán)境下的協(xié)議，保證了節(jié)點間的可靠通信。

1　網(wǎng)絡(luò)模型的建立

通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議可按照分層的概念來設(shè)計［5］。而本設(shè)計主要的目的是應(yīng)用于電力線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下的家庭環(huán)境，考慮到軟件的可移植性和易維護(hù)性，因此本協(xié)議的設(shè)計采用了分層設(shè)計。現(xiàn)有的通信協(xié)議大部分都是參考開放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSI（Open System Interconnection），而后根據(jù)系統(tǒng)所需要完成的功能進(jìn)行相應(yīng)的修改與裁剪［6］。本系統(tǒng)是在一個變壓器的范圍內(nèi)進(jìn)行的通信，因此本系統(tǒng)的通信指的是在局域網(wǎng)中的通信，不需要進(jìn)行路由及路徑選擇等之類的網(wǎng)絡(luò)層功能。在保證可靠的通信的基礎(chǔ)上，為了提高通信的效率，設(shè)計出最適合于本系統(tǒng)的通信協(xié)議，本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型只需要有應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層3個層次。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1　電力線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1Power Line communicationsystem network model

電力線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)議模型及各層功能簡介：

1）物理層，主要功能是物理信道的建立及比特流的傳輸。本設(shè)計方案中物理層功能由ES0191芯片來完成，該芯片主要完成原始數(shù)據(jù)信號的調(diào)制、解調(diào)與擴(kuò)頻、解擴(kuò)。

2）數(shù)據(jù)鏈路層，主要任務(wù)是加強物理層傳輸原始比特的功能，使之對上一層顯現(xiàn)為無錯的鏈線路。本層是主要靠軟件進(jìn)行的，是本文研究的重點。發(fā)送方把溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)封裝在數(shù)據(jù)幀里，并根據(jù)協(xié)議的流程發(fā)送各幀，處理接收端回送的確認(rèn)幀。本平臺中該層的主要任務(wù)是：①產(chǎn)生和識別幀的邊界；②幀的破壞、丟失和重傳；③控制共享信道的問題。

3）應(yīng)用層：負(fù)責(zé)對每個節(jié)點定義并分配地址，并對溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理，使之便于認(rèn)知。

2　通信協(xié)議的設(shè)計

由于本平臺的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu)，所有的數(shù)據(jù)傳輸都在一條總線上進(jìn)行，因此控制共享信道的問題是本平臺鏈路層協(xié)議設(shè)計的難點，也是設(shè)計本協(xié)議的重點。

在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中一般采用載波偵聽多址接入（CSMA）［7］技術(shù)來實現(xiàn)共享信道的多址通信。前輩科學(xué)家們，為有線局域網(wǎng)絡(luò)提出了CSMA/CD［8］（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）協(xié)議，為無線局域網(wǎng)絡(luò)提出了CSMA/ CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Anoidance）協(xié)議。在低壓電力線信道中，開關(guān)用電設(shè)備等產(chǎn)生的隨機脈沖噪聲、電力線上的背景噪聲以及連接在電力線路上的各種電器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲，對載波通信數(shù)據(jù)影響較大［9］。無線網(wǎng)絡(luò)上的噪聲特性與低壓電力線網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)性脈沖噪聲環(huán)境相似，并且CSMA/CA協(xié)議采用RTS-CTS握手機制，能夠避免"隱藏節(jié)點"的問題，也不需要進(jìn)行沖突檢測。

因此為解決信道的共享問題，本設(shè)計在現(xiàn)有CSMA/CA協(xié)議的基礎(chǔ)上對CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，并根據(jù)本平臺的實際環(huán)境對數(shù)據(jù)鏈路層的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)行重新設(shè)計。

2.1CSMA/CA協(xié)議的改進(jìn)

CSMA/CA協(xié)議對于傳輸速率低的PLC網(wǎng)絡(luò)，其RTSCTS機制過于復(fù)雜，給網(wǎng)絡(luò)增加了額外的開銷，特別是對于本平臺所涉及的適用于家庭環(huán)境的短幀傳輸，這種開銷的比重顯得更大。所以，文中對CSMA/CA協(xié)議中的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下改進(jìn)。

1）去掉原有的RTS-CTS握手機制，將其改換為ACK確認(rèn)幀機制，盡量減少確認(rèn)幀的大小和傳輸次數(shù)，提高傳輸效率。

ACK確認(rèn)幀的設(shè)計為：幀標(biāo)識位（判斷幀的類似）、目的地址、源地址和幀序列號（數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀應(yīng)一一對應(yīng)）。如圖2所示。

圖2　ACK幀結(jié)構(gòu)Fig.2ACK frame structure

2）增加報警提示幀。如果重傳次數(shù)溢出，將發(fā)出報警幀。同時在報警幀中加入目的地址和源地址，用來告訴應(yīng)該是哪條鏈路上出了問題，其他節(jié)點可以繞行。

報警幀的格式為：幀標(biāo)識位，目的地址位，源地址位。如圖3所示。

圖3　警報幀幀結(jié)構(gòu)Fig.3Alarm frame structure

2.2數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計和協(xié)議的設(shè)計上，一方面要減少各類控制信息，以增大傳輸效率；另一方面，要對數(shù)據(jù)做好糾錯檢錯，以達(dá)到可靠性的要求。主要考慮到所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)為小型的局域網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點少、速率低，但是信道差、數(shù)據(jù)可靠性要求高的特點，因此本文的設(shè)計去掉鏈路層復(fù)雜的控制信息，只保留了可保證可靠通信的基本信息。改進(jìn)后的數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.4Dataframe structure

協(xié)議設(shè)計中，使用的是“信道監(jiān)聽—數(shù)據(jù)發(fā)送—接收ACK確認(rèn)”的流程，減少了第一次的“握手”，在保證可靠傳輸?shù)那疤嵯逻m當(dāng)?shù)慕档土藚f(xié)議的復(fù)雜度。

3　協(xié)議的總體流程

本協(xié)議的總體流程圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig.5Data flow and reception diagram

1）數(shù)據(jù)發(fā)送端

在數(shù)據(jù)的發(fā)送之前首先檢測信道上是否有數(shù)據(jù)傳輸，若信道忙，則判斷退避窗口是否已達(dá)到最大值，若退避窗口沒達(dá)到最大值退避一段時間后重新檢測信道。若退避窗口達(dá)到最大值，則將退避指數(shù)重新置為0后退避。

若信道閑，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，等待接收ACK幀，若在規(guī)定時間內(nèi)沒有接收到ACK幀則表明數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，需要重傳。重傳時首先檢測重傳次數(shù)是否溢出，若重傳次數(shù)溢出則發(fā)送報警幀，證明該線路有問題。若重傳次數(shù)未溢出，則繼續(xù)檢測信道，信道空閑后重新發(fā)送該幀。

若接收到ACK確認(rèn)幀，則表明數(shù)據(jù)已成功發(fā)送，本次數(shù)據(jù)發(fā)送成功。

2）數(shù)據(jù)接收端

接收數(shù)據(jù)時，首先判斷目的地址是否與本節(jié)點地址相同，若不同，則繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。若相同則判斷收到數(shù)據(jù)幀的幀頭、幀尾、CRC校驗是否正確，若不正確則將接收到的數(shù)據(jù)幀丟棄，繼續(xù)等待接收。若正確則向發(fā)送方發(fā)送ACK確認(rèn)幀，本次接收完成。

4　實驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述協(xié)議的總體流程，通過C語言編程及仿真環(huán)境的搭建，對本文設(shè)計的協(xié)議進(jìn)行如下的仿真驗證。

本次仿真主要在keil+protues搭建的仿真環(huán)境下進(jìn)行。具體的參數(shù)設(shè)置如下：數(shù)據(jù)幀幀頭：0xfa；數(shù)據(jù)幀幀尾：0xea；ACK確認(rèn)幀幀頭：0xfb；警報幀幀頭：0xfc；節(jié)點A地址（發(fā)送端地址）：0x01；節(jié)點B地址（接收端地址）：0x02；

節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點B接收到數(shù)據(jù)后，首先比較目的地址是否與本地地址相同，若相同則繼續(xù)判斷幀頭、幀尾是否正確，若幀頭、幀尾正確則表明數(shù)據(jù)正確接收，隨后節(jié)點B將向節(jié)點A返回ACK確認(rèn)幀，以表明數(shù)據(jù)成功接收。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)正確接收Fig.6Data is received correctly

由圖6上方的虛擬終端可看出數(shù)據(jù)幀頭0xfa，目的地址為0x02，原地址為0x01，序列號為0x00即節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點B收到該數(shù)據(jù)幀后，發(fā)現(xiàn)目的地址就是本節(jié)點地，因此接收數(shù)據(jù)并且向節(jié)點A發(fā)送ACK確認(rèn)幀。由上圖下方虛擬終端可看出確認(rèn)幀幀頭0xfb目的地址0x02源地址0x01幀序列號0x00，即表明節(jié)點A收到節(jié)點B對序列號為0x00幀的接收確認(rèn)幀。并且在顯示屏上顯示rec ok加序列號的字樣，由圖6上方的顯示屏可看出。

當(dāng)節(jié)點A收到ACK確認(rèn)幀后，則準(zhǔn)備發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。若在規(guī)定的時間內(nèi)未收到ACK確認(rèn)幀，則重新發(fā)送該幀。重傳次數(shù)溢出發(fā)出警報幀時，為了便于驗證，仿真時將最大重傳次數(shù)設(shè)置為3，若重傳次數(shù)大于3則發(fā)出警報幀。仿真時將節(jié)點結(jié)果如圖7所示。

圖7　重傳次數(shù)溢出，發(fā)警報幀F(xiàn)ig.7Frame retransmission times overflow，send alarm

由圖7上方的虛擬終端可看出幀序列號為0x01的幀已經(jīng)重新發(fā)送，且上方的顯示屏并沒有顯示A To B：Alarm字樣，因此判斷序列號為0x01的序列幀并未發(fā)送成功并且重傳次數(shù)已溢出。在上方終端的末尾處可看出有幀頭為0xfc的幀發(fā)出，由此可以判斷目的地址為0x02，源地址為0x01的這段鏈路發(fā)生錯誤，用以警告其他節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時繞過該條鏈路。

若目的地址與本地地址不同，則將收到的數(shù)據(jù)丟棄，繼續(xù)等待接收。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　目的地址不相符，丟棄Fig.8The destination address is not consistent，discarded

由圖8上方的虛擬終端可看出，幀頭為0xfa判斷該幀為數(shù)據(jù)幀，目的地址0x03，源地址0x01，幀序列號為0x00.當(dāng)節(jié)點B收到該數(shù)據(jù)幀時，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)幀的目的地址不是本節(jié)點的地址，因此將該數(shù)據(jù)幀丟棄，繼續(xù)等待接收下一幀數(shù)據(jù)。

5　結(jié)束語

通過對基于電力線傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計及對數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的改進(jìn)，本文設(shè)計出一款適合于基于電力線傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)構(gòu)架的家庭環(huán)境的通信協(xié)議。該協(xié)議通過C語言編碼實現(xiàn)，并且在在搭建的keil+protues平臺進(jìn)行仿真實驗，經(jīng)過多次的仿真實驗表明，設(shè)計出的新協(xié)議符合協(xié)議流程的邏輯結(jié)構(gòu)并且可以保證節(jié)點的可靠通信。

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Research on the power line network communication protocol design

LI Xiao-ying，SUN You-wei，YAO Qiu-sha
（School of Electronic Engineering，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710061，China）

In order to improve the efficiency of data transmission by the power line to build the Internet of things and accuracy，and through comparison and analysis to the existing classic protocols，on the Internet of things based on power transmission line network model to carry on the design of the architecture and the data link layer protocol and the frame structure was improved，the final design a suitable for power line transmission of Internet of things home environment of communication protocols.Agreement by C language programming，after debugging and establish the platform keil+protues simulation experiment.Results show that the design of the protocol can ensure the reliable communication between nodes.

power line；keil+protues；protocol design；reliable communication

TN919

A

1674-6236（2015）20-0082-04

2015-01-16稿件編號：201501127

李曉迎（1989—），女，陜西西安人，碩士。研究方向：下一代網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)。