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        淺談電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

        2017-09-29 20:45:27蘇為斌孔艷春鐘賽君
        科學(xué)家 2016年13期
        關(guān)鍵詞:智能家居物聯(lián)網(wǎng)

        蘇為斌 孔艷春 鐘賽君

        摘要 縱觀物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展歷程,電力載波通信技術(shù)(PLC)鮮為人知,智能家居是近年來火熱的話題,其衍生的各大技術(shù)大多取得了跨越式發(fā)展。通信技術(shù)的更新?lián)Q代促進了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展,比如4G、5G、WiFi、ZigBee、藍牙等無線通信標(biāo)準(zhǔn)逐漸在我們身邊普及。在當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)混戰(zhàn)的背景下,電力載波通信正悄然挺進物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。事實上,電力載波發(fā)展由來已久,技術(shù)亦趨近成熟,電力載波抄表網(wǎng)絡(luò)幾乎覆蓋全國,如若能有效利用電力網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物聯(lián),那么設(shè)備與設(shè)備的組網(wǎng)無非就是插上電源,構(gòu)建智能家居物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)顯然要方便得多。

        關(guān)鍵詞 電力載波通信;物聯(lián)網(wǎng);智能家居

        中圖分類號 TP2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號2095—6363(2016)13—0083—02

        物聯(lián)網(wǎng)(IOT),其英文名稱是:“Internet of things”。顧名思義,物聯(lián)網(wǎng)就是物與物之間實現(xiàn)通信的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這有兩層意思:其一,物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)源于互聯(lián)網(wǎng)的擴展;其二,物聯(lián)網(wǎng)延伸到物與物之間,存在著機器與機器之間不為人知的信息交互和數(shù)據(jù)過渡。因此物聯(lián)網(wǎng)一方面應(yīng)與萬維網(wǎng)(Internet)聯(lián)網(wǎng);另一方面又要實現(xiàn)機器與機器之間的相互管理,即M2M(Machine to Machine),顯然電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)滿足并具備這兩個條件。

        1電力載波通信的發(fā)展現(xiàn)狀

        1.1國內(nèi)電力載波芯片研發(fā)介紹

        在電力載波抄表應(yīng)用中,由于電度、用戶數(shù)據(jù)等信息量較小,對通信線路帶寬要求不高,有著廣泛的前景。所以中速率的數(shù)據(jù)傳輸芯片研發(fā),成為電力載波抄表的主要應(yīng)用,已經(jīng)普及到了各級地方電力網(wǎng)絡(luò)。主要型號有青島鼎信TCC081系列、深圳力合微LME2200系列、北京福星曉程PL4000系列等,與國外同等芯片相比,具有造價低廉、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

        1.2國內(nèi)電力載波通信面臨的機遇與挑戰(zhàn)

        國內(nèi)載波芯片在電網(wǎng)行業(yè)中前景可觀,但若把該類芯片發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用芯片,那么載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的制訂將成為制約其發(fā)展的主要核心問題。事實上,物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化之路任重道遠,軟件和中間件是物聯(lián)網(wǎng)的靈魂和關(guān)鍵。電力載波通信構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一個多行業(yè)交叉的系統(tǒng)工程,各廠商的不同的接口標(biāo)準(zhǔn)與通信協(xié)議導(dǎo)致不同設(shè)備之間的互連、互通無法實現(xiàn),目前該類芯片主要應(yīng)用于電力載波抄表。比如,TCC081系列芯片載波頻段是401kHz~441kHz,LME2200C的載波頻段是60kHz~150kHz,PL4000X采用120kHz載波頻段。因此,建立各廠商之間共同遵循的標(biāo)準(zhǔn)與通信協(xié)議,是電力載波通信技術(shù)推廣至物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)面臨的重要挑戰(zhàn)。

        我國在“十二五”期間提出了物聯(lián)網(wǎng)概念,但經(jīng)過5年發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)熱并沒有把智能家居概念廣泛推廣開來,眾多廠商以Zigbee、WiFi無線方式推廣自己的產(chǎn)品,卻忽略了用戶體驗。再看電力載波市場,其最大的客戶應(yīng)用主要是電網(wǎng)公司,通過載波抄表方式成功替代了人工抄表,大幅提高了效率,節(jié)省了很大的人力成本開支,但是在智能家電、工業(yè)場合幾乎沒有應(yīng)用。若是我們從用戶體驗角度來思考,不管哪一種家電設(shè)備,只要通上電便可自動加入智能家居控制陣營,不用去為某一個設(shè)備單獨配置地址,不用有太復(fù)雜而讓用戶分不清的操作,在不改變傳統(tǒng)家居操作模式的前提下,低成本地植入電力載波通信芯片,構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)絡(luò),那么電力載波通信物聯(lián)終端架構(gòu)的推廣與應(yīng)用將迎來前所未有的機遇。

        2電力載波物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)想

        2.1實現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)架構(gòu)

        由于電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò),存在著不同廠家,不同型號的各類通信模塊,所以我們必須構(gòu)造一中間環(huán)節(jié),進行通信的匯總,并聯(lián)入Internet。如圖1所示,ARM嵌入式系統(tǒng)(或中科龍芯Mipsel架構(gòu)),經(jīng)過電力線可以與各種智能家居設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)。

        由圖l可以看出,“ARM嵌入式系統(tǒng)”中間環(huán)節(jié)是實現(xiàn)電力載波通信管理的關(guān)鍵節(jié)點,當(dāng)然也提出了一系列難題,即系統(tǒng)由誰來建設(shè),誰來運維,誰來推廣,如果把該中間環(huán)節(jié)交給用戶自己管理,則存在著設(shè)備維護難度大、設(shè)備接入有沖突、運作成本高等難題;如果把該中間環(huán)節(jié)交由創(chuàng)新型中小微企業(yè)運作,則面臨大量的家電設(shè)備不支持電力載波通信,接入標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一,各自為政,重復(fù)開發(fā)的問題;如果把該中間環(huán)節(jié)交由大型企業(yè)運作,則面臨創(chuàng)新力不足,資源過度壟斷的問題,就像現(xiàn)在的電力載波抄表,只能抄表,沒有高效的發(fā)揮該項技術(shù)的優(yōu)勢,形成了極大的資源浪費。

        2.2實現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的組織架構(gòu)

        實現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架設(shè),不管是個人還是企業(yè)均難以實現(xiàn),加之現(xiàn)有的電力系統(tǒng),存在著國電、南網(wǎng)各類載波抄表系統(tǒng),如果把電力載波通信這一“肥沃土壤”開放,必將對電度費用管理形成威脅,損害國家利益。

        面對這一系列矛盾,實現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò),不但應(yīng)當(dāng)兼顧國電、南網(wǎng)企業(yè)利益,避開或禁用該類抄表載波頻段,而且應(yīng)當(dāng)由政府牽頭,成立國家級“電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”標(biāo)準(zhǔn)制訂組織,邀請各大科研機構(gòu)、院校、企業(yè)共同制訂統(tǒng)一的電力載波通信標(biāo)準(zhǔn)體系,設(shè)計和研發(fā)該類電力載波通信芯片,并對社會開放。該項技術(shù)若得以建立和推廣,將對創(chuàng)新型中小微企業(yè)提供一個嵌入式開發(fā)平臺,這類企業(yè)可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),提供相應(yīng)的區(qū)域化服務(wù),用戶既不用自己開通網(wǎng)絡(luò),也不用關(guān)心設(shè)備接入問題,只須給設(shè)備通上電就能實現(xiàn)智能控制,有效地降低智能家居設(shè)備的使用成本;對于家電制造企業(yè)來說,依照該標(biāo)準(zhǔn),植入低成本的載波通信芯片,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信,即可充分了解自己產(chǎn)品的運營信息、故障信息,最大限度地做好產(chǎn)品售后服務(wù),實現(xiàn)以服務(wù)創(chuàng)造效益,而非一味的依靠產(chǎn)量、價格惡性競爭。

        2.3實現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

        在智能電網(wǎng)中,我國電力載波抄表系統(tǒng)主要采用DLT/645-2007通信協(xié)議,支持主從問答式半雙工通信,電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制訂,可充分參考該協(xié)議。該協(xié)議在從站地址上提供了A0~A5共6個字節(jié),理論上同一總線網(wǎng)段內(nèi)可支持設(shè)備接入數(shù)量達到281萬億個以上,完全可滿足廠商代碼分配、家庭區(qū)域碼劃分、各從站地址碼劃分等要求。

        電力載波通信屬于總線式載波通信架構(gòu),不同于點對點的TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)??偩€型通信是有主、從之分的點對多點或多點對多點的通信網(wǎng)絡(luò),主站正確識別從站以及從站的接入自動管理是總線型通信的技術(shù)難題。對于總線型通信而言,從站設(shè)備必須保持靜默狀態(tài),隨時等候主站的輪詢訪問,當(dāng)主站輪詢到它時,才可發(fā)送數(shù)據(jù)。主站輪詢從站獲取數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)包含詢問從站需求、滿足從站需求、獲取從站常規(guī)數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令、結(jié)束訪問等五項主要內(nèi)容;從站應(yīng)當(dāng)劃分需求寄存器、常規(guī)數(shù)據(jù)寄存器兩種內(nèi)存空間以供主站訪問。

        總線型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的第二個難題就是從站地址的自動分配,這關(guān)系到設(shè)備插上電是否能夠自動接入物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。我們可以重新構(gòu)建新的電力載波廣播信道,以不同于數(shù)據(jù)采集控制信道的工作頻段向總線內(nèi)發(fā)送廣播信號,廣播信號中包含從站地址的分配序列,那么新接入智能家居設(shè)備,便可根據(jù)該分配序列自動遞增分配地址,然后通過數(shù)據(jù)采集信道頻段告知主站。主站為了發(fā)現(xiàn)新加入的從站,在每次輪詢完所有子站后,都應(yīng)當(dāng)嘗試自動探索新加入的從站。從站地址在分配完成后應(yīng)當(dāng)具備掉電保存功能。

        3結(jié)論

        盡管基于電力載波通信的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)目前還沒有完全實現(xiàn),但我們相信,通過規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)制訂和實施,通過統(tǒng)一的部署和不斷的引入新技術(shù)、新思維,一定可以低成本、高效率地實現(xiàn)基于電力載波通信的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本文本著拋磚引玉原則提出我們的想法和見解,相信該技術(shù)的成功推廣必將成為重要的經(jīng)濟增長點。endprint

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