摘 要：為解決物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)目前存在的傳輸距離受限、成本高昂和信號(hào)易受干擾等問題，對(duì)PLC-IoT（power line communication internet of things）技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用架構(gòu)開展了相關(guān)研究。在ZigBee無線通信技術(shù)、Konnex（KNX）總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)PLC-IoT技術(shù)的免布專用通信線、通信帶寬高、通信時(shí)延低等技術(shù)特性及優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了PLC-IoT技術(shù)在配電物聯(lián)網(wǎng)、智慧道路、智能充電樁等智慧物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用架構(gòu)，并驗(yàn)證了PLC-IoT技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的可行性。結(jié)果表明：應(yīng)用PLC-IoT技術(shù)的家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ZigBee技術(shù)家居系統(tǒng)無法做到的長(zhǎng)距離穩(wěn)定通信，較使用KNX技術(shù)降低了約30%的成本，提升了系統(tǒng)整體的抗干擾性。PLC-IoT技術(shù)相較于ZigBee技術(shù)和KNX技術(shù)更適合實(shí)現(xiàn)智能家居、樓宇自動(dòng)化等智慧物聯(lián)，可提升系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，滿足新興業(yè)務(wù)對(duì)可靠性和效率的需求。

關(guān)鍵詞：通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；PLC-IoT；物聯(lián)網(wǎng)；電力線通信技術(shù)；智慧應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN913" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""文章編號(hào)：1008-1534（2024）06-0409-09

Research on smart IoT application architecture under the advantage of PLC-IoT technology

ZHANG Yongqiang^1，2， YAN Xin¹， CUI Yao³， LI Xiangnan^2，4

（1School of Information Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2Hebei Technology Innovation Center of Intelligent IoT， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3Shijiazhuang Changhong Intelligent Technology Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050004， China; 4Shijiazhuang Chunxiao Internet Information Technology Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050061， China）

Abstract：In order to solve the problems of limited transmission distance， high cost and susceptibility to signal interference in the current IoT communication technology， relevant research has been carried out on the application architecture of PLC-IoT technology in the field of smart IoT. Based on ZigBee wireless communication technology and Konnex （KNX） bus technology， the application architecture of PLC-IoT technology was designed according to the technical characteristics and advantages of PLC-IoT such as no wiring dedicated communication lines， high communication bandwidth， and low communication latency. This application architecture can be used for smart IoT fields such as power distribution IoT， smart roads， and smart charging piles. The feasibility of applying PLC-IoT technology to smart home systems was designed and verified. The results show that the home system using PLC-IoT technology has achieved long-distance stable communication compared with ZigBee， reduced the cost by about 30% compared with KNX， and improved the overall anti-interference performance. Compared to ZigBee technology and KNX technology， PLC-IoT technology is more suitable for implementing smart IoT such as smart homes and building automation， which can enhance system security and stability， and meet the reliability and efficiency needs of emerging businesses.

Keywords：communication network technology；PLC-IoT；internet of things （IoT）；powerline communication technology；smart application

物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器可以感知周圍環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與其他組件以及混合網(wǎng)絡(luò)中的消費(fèi)者實(shí)時(shí)交互^[1]，還通過信息協(xié)同共享實(shí)現(xiàn)智能化互聯(lián)互通，能夠創(chuàng)造出智能、高效、便利的生活和工作環(huán)境，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

在部署物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)會(huì)受到很多限制，難點(diǎn)之一是如何實(shí)現(xiàn)大量高功效、低成本以及超低功耗設(shè)備的全連接網(wǎng)絡(luò)，并且提供可靠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和通信擴(kuò)展能力。常用的通信技術(shù)包括ZigBee無線通信技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱ZigBee技術(shù)）、KNX（konnex）總線技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱KNX技術(shù)）等。ZigBee技術(shù)起源于美國，由ZigBee聯(lián)盟推動(dòng)和開發(fā)，憑借低功耗、低成本和支持大量節(jié)點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，成為智能家居控制場(chǎng)景的主要通信技術(shù)^[2]。但是，ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，且抗干擾能力較差，易出現(xiàn)信號(hào)干擾或信號(hào)衰減^[3]，致使智慧服務(wù)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差^[4]。KNX技術(shù)是由歐洲安裝總線（european installation bus，EIS）、BatiBus和EHSA總線協(xié)議合并而成，是住宅和樓宇控制領(lǐng)域的開放式國際標(biāo)準(zhǔn)。但是，KNX技術(shù)需要在設(shè)計(jì)階段介入，安裝難度大，布線成本高。ZigBee技術(shù)及KNX技術(shù)的不足之處是由其本質(zhì)所決定的，而利用電力線通信的技術(shù)則可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。中頻帶電力線載波通信（power line communication， PLC）技術(shù)發(fā)源于中國，

它是基于國家電網(wǎng)公司低壓電力線高速載波通信（high-speed power line communication，HPLC）規(guī)范，由華為技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱華為）提出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的面向物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的中頻帶電力線載波通信（power line communication internet of things， PLC-IoT）技術(shù)^[5]。通過自主研發(fā)的通信模塊以及抗干擾算法，提升了電力線載波通信的可靠性，有效解決了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部署網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和通信擴(kuò)展受到限制的問題。PLC-IoT技術(shù)憑借其快速組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)可應(yīng)用于智能家居、配電網(wǎng)等領(lǐng)域^[5]，應(yīng)用前景十分廣泛。

本文對(duì)PLC-IoT技術(shù)與KNX技術(shù)、ZigBee技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，并基于PLC-IoT技術(shù)特性提出了應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)、配電物聯(lián)網(wǎng)、智慧道路和智能充電樁等領(lǐng)域的應(yīng)用架構(gòu)，旨在突破無線傳輸網(wǎng)絡(luò)易受干擾、傳輸距離短的局限性，提升智慧物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 PLC-IoT技術(shù)的概述及優(yōu)勢(shì)

1.1 PLC-IoT技術(shù)概述

傳統(tǒng)PLC技術(shù)由于電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜、噪聲干擾等問題未能得到大規(guī)模的應(yīng)用^[6]。華為發(fā)布了基于IEEE1901.1標(biāo)準(zhǔn)的PLC-IoT技術(shù)^[7]，其基本通信原理如圖1所示。電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以保障物聯(lián)網(wǎng)通信的安全、可靠、高效，并降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的成本^[8]，避免無線通信技術(shù)受附近環(huán)境因素的影響，實(shí)現(xiàn)了通電即有網(wǎng)絡(luò)^[9]。

PLC-IoT通信頻段處于噪聲較低的0.7～12.0 MHz；其電力線通信信道傳輸模型^[10]可以與無線通信技術(shù)同步使用，傳輸距離可達(dá)15 km，是一種安全、可靠的長(zhǎng)距離通信技術(shù)^[11]。

1.2" PLC-IoT技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

PLC-IoT技術(shù)融合抗噪聲技術(shù)、自動(dòng)快速組網(wǎng)技術(shù)和正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing， OFDM）技術(shù)^[12]，具有快速組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、通信距離遠(yuǎn)和融合通信等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能解決目前通信網(wǎng)絡(luò)存在的部分問題^[13]。

1）快速組網(wǎng)

PLC-IoT技術(shù)將多網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)協(xié)調(diào)技術(shù)和自動(dòng)快速組網(wǎng)技術(shù)^[14]相結(jié)合，有效解決多臺(tái)區(qū)通信串?dāng)_以及多網(wǎng)絡(luò)帶寬協(xié)調(diào)的問題，實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)。

2）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定

PLC-IoT技術(shù)采用抗噪聲技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)和OFDM調(diào)制方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)，并自動(dòng)選擇通信質(zhì)量較好的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息備份^[15]。

3）通信距離遠(yuǎn)

PLC-IoT技術(shù)采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)多路徑路由技術(shù)，根據(jù)不同信道條件，智能選擇最佳的傳輸路徑，避免擁塞和干擾，能達(dá)到15 km的傳輸距離^[9]。

4）融合通信

PLC-IoT技術(shù)能夠同時(shí)支持多種不同類型的通信模式或協(xié)議，可與5G、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Wi-Fi等通信技術(shù)^[16]融合。

2 PLC-IoT技術(shù)與現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對(duì)比分析

ZigBee技術(shù)與KNX技術(shù)應(yīng)用于不同領(lǐng)域，前者廣泛應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域，后者是樓宇領(lǐng)域唯一的全球性開放式通信標(biāo)準(zhǔn)。PLC-IoT技術(shù)是面向物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的中頻帶電力線技術(shù)新應(yīng)用，相較于ZigBee技術(shù)，其數(shù)據(jù)通信更穩(wěn)定、抗干擾能力更強(qiáng)，而與KNX技術(shù)相比，則不用部署控制線，大大降低了布線成本。

2.1 與ZigBee技術(shù)對(duì)比

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種通過2.4 GHz無線電頻譜通信的無線通信技術(shù)。它具有自組織、自修復(fù)、低成本等特點(diǎn)，采用短距離、低功耗的無線傳輸方式，主要用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信，如傳感器、智能家居設(shè)備等。ZigBee技術(shù)憑借低成本、短時(shí)延的特性，已被廣泛應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域。ZigBee信號(hào)在傳輸過程中容易受到墻體阻隔的影響，同時(shí)也可能受到非授權(quán)頻譜中其他無線信號(hào)的干擾，所以ZigBee技術(shù)的穩(wěn)定性較弱，多設(shè)備同時(shí)控制時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，并且在大規(guī)模部署時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)變得相對(duì)復(fù)雜。另外，ZigBee技術(shù)的通信范圍相對(duì)有限，這限制了其在大型建筑或者廣域環(huán)境中的應(yīng)用。

PLC-IoT技術(shù)采用控制總線使信號(hào)傳輸不受墻體影響，解決了ZigBee技術(shù)應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域的問題。PLC-IoT技術(shù)與ZigBee技術(shù)的對(duì)比結(jié)果見表1。盡管ZigBee技術(shù)在某些場(chǎng)景下具有優(yōu)勢(shì)，但相較于PLC-IoT技術(shù)，其在通信范圍、穿透能力、抗干擾性、配置管理復(fù)雜性以及電池壽命等方面均存在一定劣勢(shì)。PLC-IoT技術(shù)復(fù)用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以連接300多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)同時(shí)通信，傳輸速率高，穩(wěn)定性好。

2.2 與KNX技術(shù)對(duì)比

KNX技術(shù)是歐洲總線協(xié)會(huì)以EIB作為基礎(chǔ)提出的有線傳輸協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)樓宇控制系統(tǒng)集中化管理，通信穩(wěn)定，不易受干擾。KNX技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要在設(shè)計(jì)階段介入，單獨(dú)部署控制線，安裝難度大，工程成本高，項(xiàng)目周期長(zhǎng)。KNX技術(shù)被廣泛應(yīng)用于辦公樓自動(dòng)化、醫(yī)院自動(dòng)化、商業(yè)建筑管理等場(chǎng)景。PLC-IoT技術(shù)與KNX技術(shù)的不同之處主要體現(xiàn)在布線方式上，表2是PLC-IoT技術(shù)與KNX技術(shù)在相同環(huán)境下進(jìn)行部署時(shí)的參數(shù)對(duì)比結(jié)果。

PLC-IoT技術(shù)復(fù)用電力線進(jìn)行通信，降低了部署難度，做到了“網(wǎng)隨電通”，相較于KNX技術(shù)，其施工工時(shí)短、布線少、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快，可降低約30%的布線成本^[12]。由于KNX技術(shù)是通過專用的雙絞線、無線或者其他傳輸介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)，所以PLC-IoT技術(shù)和KNX技術(shù)的通信速度都會(huì)受到傳輸介質(zhì)的影響，均在幾百kbit/s到數(shù)Mbit/s之間。PLC-IoT技術(shù)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑物的覆蓋，而KNX技術(shù)受傳輸介質(zhì)限制，需要合理規(guī)劃和布置線纜設(shè)備以確保覆蓋范圍。

2.3 與傳統(tǒng)PLC技術(shù)對(duì)比

傳統(tǒng)PLC技術(shù)主要用于電力網(wǎng)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制等電力行業(yè)^[17]。PLC-IoT技術(shù)復(fù)用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。PLC-IoT技術(shù)與傳統(tǒng)PLC技術(shù)主要區(qū)別在使用的協(xié)議、寬帶技術(shù)和接入數(shù)量3個(gè)方面，二者的參數(shù)對(duì)比結(jié)果見表3。PLC-IoT技術(shù)可以消除噪聲干擾，保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于智能樓宇和家居場(chǎng)景，系統(tǒng)設(shè)備接入數(shù)量較PLC技術(shù)有大幅提升，并解決了傳統(tǒng)PLC技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、易受干擾或數(shù)據(jù)缺失與中斷的問題，增強(qiáng)了抗干擾能力，提升了信道傳輸質(zhì)量。

2.4 與其他通信技術(shù)對(duì)比

物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)主要有Wi-Fi、低功耗藍(lán)牙（bluetooth low energy，BLE）技術(shù)等。無線通信技術(shù)利用電磁波完成數(shù)據(jù)交互，建筑環(huán)境場(chǎng)景、戶型等因素對(duì)無線傳輸質(zhì)量影響較大，墻體、金屬面板等會(huì)衰減無線傳輸信號(hào)。Wi-Fi存在通信距離有限、穩(wěn)定性差、功耗大、容易受到干擾以及安全性差等弊端，需要部署多個(gè)接入點(diǎn)擴(kuò)展覆蓋范圍。BLE技術(shù)的穿墻能力弱，穿墻之后信號(hào)遞減明顯，聯(lián)動(dòng)性差，且不同版本間的兼容性差，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入量少，不適合多點(diǎn)布控與大量數(shù)據(jù)傳輸，或高速傳輸需求的場(chǎng)景。

PLC-IoT技術(shù)采用有線傳輸、獨(dú)立回路，并且配備濾除帶外噪聲的多級(jí)濾波器，它與部分無線通信技術(shù)的參數(shù)對(duì)比結(jié)果如表4所示。

PLC-IoT技術(shù)解決了多臺(tái)區(qū)^[18]通信串?dāng)_以及多網(wǎng)絡(luò)帶寬協(xié)調(diào)問題，抗干擾能力增強(qiáng)，支持接入站點(diǎn)多，傳輸距離遠(yuǎn)，單節(jié)點(diǎn)上電后能迅速建立網(wǎng)絡(luò)連接，入網(wǎng)速度快，穿透性強(qiáng)，基本不受墻體影響。家庭智能化需求下，PLC-IoT技術(shù)可解決無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小、通信不穩(wěn)定的問題，且安裝簡(jiǎn)單、傳輸距離遠(yuǎn)、通信速率高、設(shè)備互聯(lián)的通信質(zhì)量穩(wěn)定^[9]。

3 智慧物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

PLC-IoT技術(shù)應(yīng)用潛力巨大，依據(jù)PLC-IoT技術(shù)特點(diǎn)，本文提出智慧物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)，為領(lǐng)域應(yīng)用提供架構(gòu)參考。同時(shí)給出該技術(shù)在配電物聯(lián)網(wǎng)、智慧道路、智能充電樁、智能家居系統(tǒng)等領(lǐng)域的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.1 智慧物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)

智慧物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)如圖2所示^[5]，包括應(yīng)用層、管理層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層。該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和智能化控制，為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供支持，從而提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源管理、提升服務(wù)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

3.2 配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著新型電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，大量分布式新能源、電動(dòng)汽車充電設(shè)施、用戶側(cè)儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心等新型主體接入電網(wǎng)。系統(tǒng)運(yùn)維復(fù)雜度和成本逐步增高。PLC-IoT技術(shù)在配電物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。該設(shè)計(jì)采用信號(hào)增強(qiáng)、濾波等措施來優(yōu)化通信質(zhì)量，PLC-IoT頭端模塊應(yīng)用于智能配變終端，PLC-IoT尾端模塊集成到分布式光伏、換相開關(guān)等低壓末端設(shè)備中。通過加密算法對(duì)傳輸和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)。設(shè)計(jì)模塊化架構(gòu)和接口，便于后續(xù)新增傳感器設(shè)備或功能模塊，靈活應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。

智能配變終端復(fù)用電力線通信與不同的低壓設(shè)備相連，從而促進(jìn)了配電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合^[19]，結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)^[20]，顯著提高了對(duì)末端數(shù)據(jù)的處理和分析能力，使其能夠?qū)崟r(shí)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?sup>[21]。

PLC-IoT技術(shù)應(yīng)用于配電物聯(lián)網(wǎng)，通過電力傳輸線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸，提升了信道傳輸質(zhì)量。PLC-IoT技術(shù)還具備線路檢測(cè)功能，能夠在檢測(cè)到線路出現(xiàn)斷電故障時(shí)主動(dòng)上報(bào)，有效解決了檢修與維護(hù)難度大的問題，保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 智慧道路架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著智慧城市建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，城市道路上的基礎(chǔ)設(shè)施正在逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化連接、數(shù)據(jù)共享和智能化升級(jí)。由于傳統(tǒng)路燈數(shù)量多，且路口交通設(shè)備繁雜、管理難度大，因此，數(shù)據(jù)互通共享、高效協(xié)同工作的問題亟待解決。PLC-IoT技術(shù)可滿足城市道路智慧化管理的需求，其在智慧道路上的應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示。

主控器包含邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和PLC-IoT頭端模塊，在路口交通舊線路上加裝該設(shè)備，復(fù)用電力線傳輸通信，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈、倒計(jì)時(shí)牌、視頻監(jiān)控等的統(tǒng)一管理。通過邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)各路口數(shù)據(jù)處理與分析實(shí)時(shí)共享。將PLC-IoT尾端模塊集成于路燈，通過街邊主控器實(shí)現(xiàn)路燈光亮的智能調(diào)控。系統(tǒng)按照模塊化思路設(shè)計(jì)，便于硬件設(shè)備功能擴(kuò)展和新傳感設(shè)備接入。根據(jù)道路類型、交通流量以及環(huán)境變化，智能化調(diào)整信號(hào)燈的顏色。

PLC-IoT技術(shù)復(fù)用電力線通信，解決了傳統(tǒng)道路智能化升級(jí)面臨的設(shè)備類型多、智能聯(lián)動(dòng)缺失、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享難等問題。

3.4 智能充電樁架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著新能源汽車普及，充電樁的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了充電樁的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、付費(fèi)安全和充電遠(yuǎn)程控制等需求。PLC-IoT技術(shù)為充電設(shè)施的管理提供解決方案，其在智能充電樁的應(yīng)用架構(gòu)如圖5所示。

PLC-IoT技術(shù)應(yīng)用于智能充電樁，復(fù)用電力線傳輸數(shù)據(jù)，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)控各充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，充電樁集成PLC-IoT尾端模塊應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶充電數(shù)據(jù)的及時(shí)處理與分析，包括設(shè)備監(jiān)控、電費(fèi)計(jì)算、充電控制，以及充電無感支付等。

智能充電樁執(zhí)行智能算法實(shí)現(xiàn)充電樁的負(fù)載均衡，避免集中使用導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷過大。系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求合理安排充電，如根據(jù)需求調(diào)整充電樁計(jì)費(fèi)策略或者充電功率，有效降低用戶充電支出，提升用戶體驗(yàn)^[21]。PLC-IoT技術(shù)的應(yīng)用使得智能充電樁能夠?qū)崿F(xiàn)無感支付，從而更高效地執(zhí)行充電與計(jì)費(fèi)過程。在進(jìn)行無感支付時(shí)，該技術(shù)能夠確保支付過程的安全性，有效防范網(wǎng)絡(luò)攻擊。

4 基于PLC-IoT技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

基于PLC-IoT技術(shù)的智能家居系統(tǒng)具有更好的抗干擾性與穩(wěn)定性，可增強(qiáng)用戶智能家居生活體驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

PLC-IoT技術(shù)復(fù)用電力線通信的特質(zhì)有效降低了電器間的強(qiáng)電磁干擾，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了有電力線的地方就可以實(shí)現(xiàn)家居控制。PLC-IoT技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)如圖6所示。

主控器內(nèi)部PLC-IoT頭端模塊作為PLC-IoT網(wǎng)絡(luò)的中央?yún)f(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建。PLC-IoT尾端模塊集成于開關(guān)、各類智能家電等末端設(shè)備中，能夠接受網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制指令，復(fù)用電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與手機(jī)APP協(xié)調(diào)管理整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)查看與控制，同時(shí)利用邊緣計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的智能調(diào)控，可以基于時(shí)間、周圍環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低能源消耗，數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)與用戶指令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析和邏輯計(jì)算等功能。在華為全屋智能的PLC-IoT系統(tǒng)中，用戶通過智能手機(jī)APP可控制家中燈光、空調(diào)等設(shè)備。當(dāng)用戶離家時(shí)，可自動(dòng)切換離家模式，提高能源使用效率。當(dāng)安全檢測(cè)功能檢測(cè)到門窗被撬動(dòng)或者溫度異常升高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即向用戶發(fā)送報(bào)警通知。

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

以PLC-IoT技術(shù)為核心的智能家居系統(tǒng)主要包括3個(gè)功能模塊，各功能模塊協(xié)同運(yùn)作保障整體系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，系統(tǒng)功能模塊圖如圖7所示。

4.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

PLC-IoT技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的工作流程圖如圖8所示。PC端管理平臺(tái)或手機(jī)APP下發(fā)相應(yīng)的控制指令，通過網(wǎng)絡(luò)傳送至主控器智能網(wǎng)關(guān)。主控器智能網(wǎng)關(guān)在綜合分析之后，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)幀中的MAC地址經(jīng)PLC-IoT頭端模塊發(fā)送至相對(duì)應(yīng)的終端控制器。終端控制器在收到數(shù)據(jù)指令之后，立刻解析命令，完成響應(yīng)。終端控制器在完成相應(yīng)的操作響應(yīng)之后，主動(dòng)通過PLC-IoT尾端模塊給予主控器反饋，主控器也會(huì)將數(shù)據(jù)反饋給平臺(tái)，顯示終端控制器的現(xiàn)有狀態(tài)。

4.4 系統(tǒng)可行性驗(yàn)證

PLC-IoT技術(shù)解決了物聯(lián)網(wǎng)感知層與邊緣端的數(shù)據(jù)傳輸。在家居環(huán)境下，完成邊緣端的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)建具體設(shè)備，并將設(shè)備與定義的產(chǎn)品關(guān)聯(lián)，獲取設(shè)備的三元組信息（ProductKey，DeviceName，DeviceSecret），用于設(shè)備的認(rèn)證和接入。系統(tǒng)上電后，終端各個(gè)模塊進(jìn)行初始化并接入網(wǎng)絡(luò)，智能家居系統(tǒng)邊緣網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。終端設(shè)備的入網(wǎng)信息如圖9所示。

系統(tǒng)正常運(yùn)行后，終端各模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)，可在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看。通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令對(duì)智能家居中的設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層與感知層交互，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀況如圖10所示。

在傳輸距離方面，直接復(fù)用電力線通信實(shí)現(xiàn)全屋覆蓋。在抗干擾性方面，通過頻段選擇、自適應(yīng)技術(shù)和負(fù)載變化技術(shù)自適應(yīng)選擇通信質(zhì)量高的子載波，有效降低其他電器的噪聲干擾與信道信號(hào)衰落對(duì)系統(tǒng)通信的影響。實(shí)踐證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，該技術(shù)應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域具有可行性。

5 結(jié) 語

PLC-IoT是面向物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的通信技術(shù)，該技術(shù)可應(yīng)用于智能家居、配電網(wǎng)等領(lǐng)域，提升智慧物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文在分析PLC-IoT技術(shù)的關(guān)鍵特性以及優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出了基于PLC-IoT技術(shù)的智慧物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了配電物聯(lián)網(wǎng)、智慧道路、智能充電樁等智慧物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的PLC-IoT技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)，并驗(yàn)證了PLC-IoT技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的可行性。具體結(jié)論如下。

1）PLC-IoT技術(shù)具有快速組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、通信距離遠(yuǎn)和融合通信等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：與ZigBee技術(shù)相比，其數(shù)據(jù)通信更穩(wěn)定、抗干擾能力更強(qiáng)；相較于KNX技術(shù)，其不用部署控制線，大大降低了布線成本。

2）PLC-IoT技術(shù)比ZigBee技術(shù)和KNX技術(shù)更適合實(shí)現(xiàn)智能家居、樓宇自動(dòng)化等智慧物聯(lián)，可提升系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，滿足新興業(yè)務(wù)對(duì)可靠性和效率的需求。

在海量感知設(shè)備互聯(lián)互通的環(huán)境下，大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)價(jià)值亟待開發(fā)，PLC-IoT技術(shù)可以結(jié)合深度學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算^[21]與多源信息融合實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘。接下來，本課題組將繼續(xù)研究PLC-IoT技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的實(shí)用性，充分發(fā)揮PLC-IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，PLC-IoT技術(shù)的發(fā)展也面臨很多挑戰(zhàn)，例如功耗高、適應(yīng)性差等問題。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與互操作性方面，PLC-IoT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化還不完善，不同廠商使用的通信協(xié)議與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，存在設(shè)備間互操作性較差的問題；在環(huán)境適應(yīng)性方面，各建筑內(nèi)電力線的結(jié)構(gòu)特性不同，老舊建筑電力線不穩(wěn)定，PLC-IoT技術(shù)在不同環(huán)境下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)；在頻譜管理方面，電力線作為通信的共享媒介，高密度電力線網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)出現(xiàn)頻譜爭(zhēng)用和干擾現(xiàn)象，影響PLC-IoT通信的性能。面對(duì)機(jī)遇與挑戰(zhàn)，需要不斷的改進(jìn)與創(chuàng)新，優(yōu)化通信協(xié)議、制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、加強(qiáng)信號(hào)處理算法等來提高PLC-IoT技術(shù)的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。

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責(zé)任編輯：王海云

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金（F2022208002）；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（ZD2021048）

第一作者簡(jiǎn)介：張永強(qiáng)（1981—），男，河北井陘人，副教授，博士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、電磁防護(hù)理論與技術(shù)方面的研究。

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