中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 劉立峰

電力線載波通信技術(shù)基于電力線進(jìn)行通信傳輸，能夠有效延長(zhǎng)通信距離。將電力線載波通信技術(shù)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相結(jié)合，并基于STM32最小系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出一種全新的智能監(jiān)控系統(tǒng)，成功的將TCP/IP技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)存精簡(jiǎn)、功耗小的微系統(tǒng)中，突破了傳輸距離以及功能單一的限制。

近些年，我們見(jiàn)證了多種多樣的通信方式，但是電力線載波通信(power line carrier communication，PLC)在民生中的應(yīng)用還不算廣泛，因?yàn)殡娏€載波通信分為高壓電力線載波傳輸和低壓電力線載波通信傳輸，這其中電力線電壓大于10kv的中高壓電力線傳輸已經(jīng)研究的很透徹了。本篇文章主要探討220v到380v的的低壓電力線傳輸，另外，低壓電力線更加接近我們的生活，在人們生活的地方以及家庭之中，普遍都是低壓電力線，這樣對(duì)于低壓電力線載波我們研究起來(lái)意義可能也就更大一些。

TCP/IP協(xié)議，是一種將嵌入式微控制器接入internet的鏈接技術(shù)，這里的嵌入式微控制器，可以是8位，16位，或者32位的處理芯片，本篇文章主要探討32位的微控制器與Internet的鏈接的原理以及功能的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)殡m然電腦的pc端和手機(jī)終端可以來(lái)達(dá)到我們要實(shí)現(xiàn)的目的，但是電腦和手機(jī)的成本太高，體積過(guò)大，不利于我們進(jìn)行工業(yè)化的批量生產(chǎn)。

基于上述問(wèn)題，本文提出了將電力線載波技術(shù)與TCP/IP相結(jié)合的方法，并應(yīng)用于STM32的最小系統(tǒng)，構(gòu)成一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了TCP/IP與電力線載波通信的綜合應(yīng)用。

1 電力線載波通信

低壓電力線的輸入阻抗很小，消減了信號(hào)的強(qiáng)度，增大了干擾，并且不穩(wěn)定，并且還會(huì)隨時(shí)間不斷變化，無(wú)法得出一個(gè)具體的數(shù)學(xué)模型。即便是這樣，如果我們采用合理的技術(shù)手段，也可以實(shí)現(xiàn)電力線載波在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

電力線傳導(dǎo)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)就是輸入阻抗，掌握了輸入阻抗的特性，我們發(fā)送的時(shí)候會(huì)更有效率，可以在很大程度上提升輸入的功率。電力線上的信號(hào)頻率對(duì)其輸入阻抗有著非常大的作用。

對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)線上的干擾。這種干擾分成兩種情況，其中一種情況是人為干擾，另一種情況是非人為干擾。通常情況下，人為干擾對(duì)電力線載波通信的影響要大于非人為干擾。諧波噪聲頻率都還是交流電頻率的整數(shù)倍，所以干擾也是周期性的。產(chǎn)生周期性的原因大體上就是用電器會(huì)在基波的某個(gè)特定相位產(chǎn)生干擾。每個(gè)周期都會(huì)有兩次巨大的干擾信號(hào)，并且這些干擾與交流電源是確定的相位聯(lián)系。除此之外，其他的一些大功率用電器，例如電動(dòng)機(jī)，這些用電設(shè)備能夠在電網(wǎng)上產(chǎn)生大量的高次諧波。而只有工頻的整數(shù)倍頻率才會(huì)有這些這些諧波，能量特別大，頻率還會(huì)達(dá)到幾萬(wàn)Hz。

電力線載波通信傳輸一定是存在多變性的。體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先一點(diǎn)，是隨著時(shí)間的推進(jìn)而改變，即在不同時(shí)間干擾的頻率，強(qiáng)弱都不一樣。在一個(gè)就是隨著地點(diǎn)的變化而變化，即在不同的電網(wǎng)之間，干擾的效果也不一樣。前者因?yàn)樨?fù)載、線路布局、和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)各不相同，這就造成了電網(wǎng)中的參數(shù)不一樣，這樣就會(huì)對(duì)干擾的分布造成影響。

擴(kuò)頻的通信系統(tǒng)要比正常情況下使用的通信系統(tǒng)擁有更好的抗干擾能力，處理的方法是對(duì)兩個(gè)信號(hào)做乘法，求出它們的均值或者是瞬時(shí)值乘完之后的積分。如果兩個(gè)信號(hào)一模一樣，就會(huì)得出最大的相關(guān)峰值，由數(shù)據(jù)檢測(cè)器將發(fā)射口的信號(hào)復(fù)原。當(dāng)傳輸通道中有很多干擾，例如窄帶干擾、單頻干擾等，這些干擾就會(huì)和我們要求的信號(hào)一起傳進(jìn)接收機(jī)，如圖1a所示。

圖1 擴(kuò)頻基帶輸出頻率

相關(guān)處理時(shí)將其削減，即把干擾信號(hào)的能量分布到擴(kuò)頻帶的每個(gè)區(qū)域，以此來(lái)減少干擾電平，就像圖1b中所描繪的?；鶐V波器僅僅輸出基帶信號(hào)，所以，輸出的信噪比就得到了完善與提高，像圖中1c所描繪的。

2 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

將嵌入式系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議有效的結(jié)合，uIP協(xié)議棧是關(guān)健。uIP可以盡可能的減少代碼的編寫量，除此之外，uIP協(xié)議棧還會(huì)節(jié)省非常多的存儲(chǔ)器容量。因?yàn)樵诖a和RAM的需求這些方面，uIP比別的TCP/IP棧要少很多。

對(duì)于其他TCP/IP棧，有時(shí)候當(dāng)數(shù)據(jù)包丟失的時(shí)候，需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。用uIP協(xié)議棧，就不需再考慮這些問(wèn)題。因?yàn)閡IP協(xié)議棧的存儲(chǔ)器不用來(lái)數(shù)據(jù)緩存，數(shù)據(jù)緩存在RAM中，當(dāng)數(shù)據(jù)丟失的時(shí)候，只需從RAM快速的生成數(shù)據(jù)，不用再存儲(chǔ)器中緩存靜態(tài)內(nèi)容，因此程序的運(yùn)行速度就會(huì)提升很多。所以，uIP協(xié)議棧的好處就是可以讓應(yīng)用程序參與數(shù)據(jù)重發(fā)的過(guò)程。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在電腦的瀏覽器中設(shè)置好的ip地址，通過(guò)網(wǎng)線，然后經(jīng)過(guò)電力線上面的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)進(jìn)行pc機(jī)與嵌入式控制器的信息交換。

通過(guò)數(shù)據(jù)的傳輸也就可以在pc端控制stm32，輸入網(wǎng)址之后，進(jìn)入如圖2所示頁(yè)面，點(diǎn)擊圖中LED0狀態(tài)反轉(zhuǎn)，板子上面的燈亮，如圖3所示。

圖2 瀏覽器界面1

圖3 嵌入式控制器界面

同時(shí)瀏覽器變成如圖4所示界面。繼續(xù)將LED1狀態(tài)反轉(zhuǎn)，那么界面如圖5所示。

圖4 瀏覽器界面2

圖5 瀏覽器界面3

嵌入式控制器上兩個(gè)燈同時(shí)亮起，同時(shí)瀏覽器界面上顯示嵌入式控制器溫度，所以，智能監(jiān)控系統(tǒng)便得到證實(shí)。

進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，將嵌入式控制器接入400m外電力線網(wǎng)絡(luò)，室內(nèi)pc機(jī)中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到復(fù)現(xiàn)，進(jìn)一步證明智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)引入電力線載波通信大大增加監(jiān)控距離和范圍。

結(jié)束語(yǔ)：本文通過(guò)將電力線載波通信技術(shù)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相結(jié)合，并基于STM32最小系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出一種全新的智能監(jiān)控系統(tǒng)，成功的將TCP/IP技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)存精簡(jiǎn)、功耗小的微系統(tǒng)中，突破了傳輸距離以及功能單一的限制。