基于電力線通信的新型物聯(lián)網(wǎng)架構

孫友偉，溫雙濤

（西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安710121）

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)絡，主要運用的是無線通信技術，具有網(wǎng)絡部署快速、節(jié)點可移動等優(yōu)點，但是也存在續(xù)航能力差、無線干擾等問題。根據(jù)近年來對生產(chǎn)、生活中物聯(lián)網(wǎng)應用的調(diào)查，快速部署、節(jié)點可移動等傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢已不是很明顯，但是其供電的不可持續(xù)性、無線干擾以及無線信號對人體的輻射等缺點卻被放大。利用現(xiàn)有資源、可靠部署、無污染通信，成為了生產(chǎn)以及家用物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基本需求?；陔娏鬏斁€路的物連網(wǎng)絡，就是在現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡中構建物連網(wǎng)絡，使得用電設備能方便地通過電力線接入網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)用電設備的互聯(lián)互通。

借助電力傳輸線路實現(xiàn)通信，并不是一個新的技術，已經(jīng)發(fā)展了數(shù)10年，主要是點到點通信，例如電表數(shù)字抄送，路燈控制，電力設備管理和控制［1］，在國外已比較成熟。但是由于國內(nèi)外電力線網(wǎng)絡的部署結構不同，使用的電壓范圍不同，很多成功的經(jīng)驗無法直接使用。與此同時，使用低壓電力線網(wǎng)絡構建物連網(wǎng)絡，在國內(nèi)外，相關的研究都很少見到。

本文擬針對于國內(nèi)低壓電力線網(wǎng)絡的實際特點，提出一種基于低壓電力線通信的新型物聯(lián)網(wǎng)架構，使用ES0191電力通信芯片做出通信節(jié)點，優(yōu)化傳統(tǒng)CSMA／CA協(xié)議。文中還將通過對比發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，來證明新型網(wǎng)絡通信的可靠性。

1 總體結構

基于電力傳輸線路的物聯(lián)網(wǎng)，是利用現(xiàn)有的電力傳輸線路，在生活場景和生產(chǎn)場景中，使所有用電的物體接入網(wǎng)絡，從而構建成物聯(lián)網(wǎng)絡。網(wǎng)絡由基于電力傳輸線的通信平臺、微處理器控制平臺和感知平臺構成，配以完整的通信協(xié)議，使信息有效傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，從而滿足人們生產(chǎn)、生活的需要。

以生產(chǎn)場景為服務目標的網(wǎng)絡結構如圖1所示［2］，其中包含了生產(chǎn)安全控制、工業(yè)生產(chǎn)管理、消防控制、空氣質量探測以及照明控制、門禁系統(tǒng)等。通信平面設計在同一個變壓器范圍之內(nèi)，以電力傳輸線為物理媒介，利用ES0191電力通信芯片進行頻帶傳輸，提供高可靠、低速率的數(shù)據(jù)傳送。控制平面設計以微處理器支撐的系統(tǒng)，組織和協(xié)調(diào)通信平臺以及感知平臺的有序工作。物聯(lián)感知平臺將生產(chǎn)場景所需要的與保障安全、提高工作效率、提高生活質量有關的信息采集傳感器聯(lián)系在一起，通過服務決策處理機構，有效的提供預期的服務，滿足業(yè)務所有需求。

圖1 基于電力傳輸線路的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)生產(chǎn)場景

2 通信平臺

通信平臺硬件框圖如圖2所示，當進行數(shù)據(jù)接收時，從電力線上送來的頻帶信號，通過耦合電路、帶通濾波電路、前端小信號放大電路后，經(jīng)過內(nèi)部處理交由微處理器進行數(shù)據(jù)分析和使用；當進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，封裝好的數(shù)據(jù)幀從單片機數(shù)據(jù)口送出，送至ES0191芯片，經(jīng)過內(nèi)部調(diào)制后，將頻帶信號輸出至功率放大電路中，然后送到電力線上。

為了實現(xiàn)低速、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸，選用ES0191芯片作為電力通信芯片。該芯片結構簡單，使用擴頻通信方式，傳輸速率500bps，單級傳輸距離1 000m左右，有較強的抗干擾及抗衰減性能。中心頻率為120kHz，帶寬為15kHz。同時使用AT89C2051作為控制平臺，能夠滿足通信的所有需要。

通信平臺硬件原理如圖3所示。在信號發(fā)送端的設計中，考慮到電力線信道上的強干擾和強衰落，為了增加傳輸距離和提高接收到的信號質量，設計了功率放大電路。在信號接收端的設計中，為了濾除帶外雜波，設計了5階巴斯沃特帶通濾波電路。為了便于芯片內(nèi)部判決，必須提高接收信號的幅度，設計了4階前級放大電路。

要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過通信芯片內(nèi)部調(diào)制后，從PSKO口輸出120kHz、5V的頻帶信號。考慮到電力線信道不是一個良性信道，有很強的干擾和衰落，所以在發(fā)送端加入功率放大電路，使有用信號遠距離傳輸［3］。恰當?shù)倪x擇功放電路上的電壓，使其獲得恰當?shù)妮敵龉β省?/p>

由于電力線信道上的強干擾，頻帶信號經(jīng)過信道傳輸后，在接收端會有各種頻率分量的噪聲，所以發(fā)送來的信號必須經(jīng)過濾波電路，濾除噪聲后，才能通過芯片進行解調(diào)。根據(jù)電力通信的特點，設計5階巴斯沃特濾波器。一方面濾掉中心頻率120kHz，頻帶寬度15kHz以外的雜波，另一方面也可克服3階巴斯沃特濾波器中間有陷波點的問題，有效保留頻帶信號。

圖3 通信節(jié)點硬件電路總體設計

頻帶信號經(jīng)過了復雜信道的傳輸，信號衰減已非常嚴重，再通過無源帶通濾波，會使頻帶信號過小而無法被檢測出。為了通信芯片能更好的接收和判斷，在濾波之后設計了小信號放大電路，對信號進行了放大。

規(guī)則：每個讀者可搖3次，3次搖完則沒有機會中獎了?；蛘呤敲總€時間節(jié)點：每個讀者可搖一次，如第一個時間節(jié)點，只搖3等獎，第二個時間節(jié)點搖2等獎，第三個時間節(jié)點，搖1等獎(具體規(guī)則可靈活變動)。

為了驗證設計出的電路的性能，根據(jù)計算結果和設計電路圖，使用Tina pro軟件進行仿真，結果如圖4所示。

在圖4中，當發(fā)送端輸出112.5～127.5kHz之間的一個正弦或方波信號，內(nèi)部調(diào)制后，經(jīng)過功率放大電路進行放大。功放電路中發(fā)射電壓（VHH）會直接影響發(fā)射功率的大小，隨著發(fā)射電壓的增大發(fā)射功率也增大，一般發(fā)射電壓應選在10V以上，最好在15～18V之間。放大的信號經(jīng)過耦合，被送入電力線信道上。電力線信道并不是一個良性信道，通過傳輸后，到達接收端的信號不僅含有衰落后的有用信號，還包括各種噪聲，并且這些過大的噪聲會直接淹沒有用信號。對于隨機脈沖噪聲（開關用電設備等產(chǎn)生的噪聲，這種噪聲干擾一般持續(xù)時間很短、但幅度很大），可以通過協(xié)議的設計來消除。但是對于頻率較為穩(wěn)定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［4］，就必須使用帶通濾波器來消除。巴斯沃特濾波器，特別適合于低頻應用，并且通帶內(nèi)非常平坦，接收到的信號通過后會濾除掉帶外噪聲，有效保留有用信號以及部分通帶內(nèi)的噪聲。濾波后的信號通過前端小信號放大電路，適當調(diào)整負載后，將信號放大到最大狀態(tài)，送入到ES0191芯片的ASI口，經(jīng)過芯片內(nèi)部的進一步混頻、濾波后，提取出有用信號。

圖4 綜合電路仿真結果

3 通信協(xié)議

PSK調(diào)制后的頻帶信號如圖5所示。從傳感器采集到的數(shù)據(jù)到達微處理器，經(jīng)過內(nèi)部分析處理之后，將封裝好的幀從單片機數(shù)據(jù)口送出，到達電力通信芯片的DATA＿IO口（管腳6），同時I／O＿C口（管腳8）置低，使DATA＿IO口成發(fā)送信息狀態(tài)，單片機數(shù)據(jù)從DATA＿I／O口進入芯片內(nèi)部，經(jīng)過內(nèi)部調(diào)制后通過PSKO口（管腳9）以模擬頻帶信號輸出到功率放大電路中，經(jīng)過耦合電路后送到電力線上。

從電力線上送來的頻帶信號，通過耦合電路、帶通濾波電路、前端小信號放大電路后，從ASI口（管腳17）進入芯片，經(jīng)過芯片內(nèi)部的解調(diào)之后，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)到達DATA＿IO口，同時I／O＿C口置高，使DATA＿IO變?yōu)榻邮招畔顟B(tài)，數(shù)據(jù)從DATA＿IO口進入單片機，經(jīng)過內(nèi)部解幀后，提取出有用數(shù)據(jù)，進行下一步操作。在圖6中，對比了發(fā)送／接收數(shù)據(jù)。通過對比可以看到，除了有延時外，數(shù)據(jù)被準確無誤的接收。

通信平臺使用的是相移鍵控（PSK）調(diào)制方式，即用相位的改變來表示不同的信息。可表示為

其中g（t）表示信號脈沖，fc表示載波頻率，T表示碼元寬度，φ（n）為載波在t＝nT時刻的相位，且

其中θ為初相位，M為載波相位的取值個數(shù)。令

則稱Q（t）為正交分量，I（t）為同相分量［5］。要實現(xiàn)變頻，只需同相分量和正交分量分別乘以－sin（2πfct）和cos（2πfct）并求和即可。要得到BPSK，QPSK和8PSK，只需讓 M＝2，4，8即可。ES0191通信芯片使用的是BPSK，這種調(diào)制方式是用相位的跳變來表示二進制數(shù)據(jù)的，不用關心傳輸過程中信號幅度的變化，對噪聲的敏感度最低。在整個實驗的過程當中，可以清楚地測定PSK調(diào)制方式在抗噪聲性能上大大優(yōu)于ASK和FSK，而且信道頻帶利用率較高，目前是應用廣泛的最佳數(shù)字載波傳輸方案。

噪聲干擾是影響電力線通信質量的突出問題。為了保證數(shù)據(jù)接收的可靠性，通行協(xié)議設計的好壞非常重要［6］。前輩科學家們，為有線局域網(wǎng)絡提出了CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detect）協(xié)議，為無線局域網(wǎng)絡提出了CSMA／CA （Carrier Sense Multiple Access／Collision Anoidance）協(xié)議。在低壓電力線信道中，開關用電設備等產(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［7］。CSMA／CA協(xié)議是為無線網(wǎng)絡設計的，無線網(wǎng)絡上的噪聲特性與低壓電力線網(wǎng)絡的突發(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，也不需要進行沖突檢測。但是在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，CSMA／CA協(xié)議對于傳輸速率低的PLC網(wǎng)絡，其RTS－CTS機制過于復雜，給網(wǎng)絡增加了額外的開銷，特別對于短幀傳輸，這種開銷的比重顯得更大。所以，優(yōu)化了CSMA／CA協(xié)議中的幀結構。

ACK確認幀設計為：幀標示位（判斷幀的類似）、目的地址、源地址和幀序列號（數(shù)據(jù)幀和確認幀應一一對應）。見圖7（a）。

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

報警幀設計為：幀標示位，目的地址位，源地址位。見圖7（b）。

（3）在數(shù)據(jù)幀的設計上，主要考慮到所設計的網(wǎng)絡為小型的局域網(wǎng)絡具有節(jié)點少、速率低，但是信道差、數(shù)據(jù)可靠性要求高的特點，在數(shù)據(jù)幀結構的設計和協(xié)議的設計上，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，以達到可靠性的要求。見圖7（c）。

圖7 通信協(xié)議中幀的類型

圖7 中的HEADER位作為幀標示位，主要用來區(qū)分接收到的幀是數(shù)據(jù)幀、確認幀還是報警幀，用4bit，共有14（去掉全0和全1）種標示位，目前使用了3種。DA位和SA作為目的地址位和源地址位，用了8bit，可分配給254（去掉全0和全1）個結點，滿足項目的網(wǎng)絡設計要求。FN位作為幀序列號位，分配了8bit，一次性最多可連續(xù)傳輸254（去掉全0和全1）個數(shù)據(jù)幀和與數(shù)據(jù)幀一一對應的ACK確認幀，在低速的物聯(lián)網(wǎng)絡中，是完全夠用的。

DATA位作為數(shù)據(jù)位。根據(jù)研究成果［8］，干擾脈沖的到達率φ最小為0.1ms－1，最大為10ms－1。而當0.1＜φ＜1時，可算出最佳幀長不大于400bit。對應到所設計的數(shù)據(jù)幀中，N的取值不大于44。但在本項目設計之初所提出方案，就是建一個低速率的物聯(lián)網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡中傳送的是各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息和各類控制信號，同時通信芯片最大傳輸速率為500bps。所以目前在網(wǎng)絡中不會出現(xiàn)圖片、視頻等大數(shù)據(jù)量信息?？紤]到目前常用傳感器的精度以及所設計的物聯(lián)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H情況，N取值在6～10合適。

FCS為幀校驗位，可使用CRC－16校驗碼。

協(xié)議設計中，使用“信道監(jiān)聽－數(shù)據(jù)發(fā)送－接收ACK確認”流程，可減少第一次的“握手”，在保證可靠傳輸?shù)那疤嵯逻m當降低協(xié)議的復雜度［9］。

算法如下。

（1）閑暇時都將各個節(jié)點設置為接收狀態(tài)，即將I／O＿C端口置高電平，這樣信道上就沒有載波，表示為空閑。

（2）發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送節(jié)點的ASI端口開始監(jiān)聽信道，若信道上無信息傳輸，則退后隨機時間t，不然跳到（3）。等到退避時間到，繼續(xù)檢査信道是否空閑，如果空閑，立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并等待接收ACK確認幀，跳到（4），否則跳到（2）。

（3）如果檢查到信道忙，隨機退避數(shù)T，則跳到（2）。

（4）如果在指定的時間內(nèi)，發(fā)送端未收到ACK確認幀，跳到（1），再次傳輸，在同一時間計數(shù)器加1。

（5）如果在指定時間內(nèi)，發(fā)送端收到了確認幀，則說明發(fā)送成功，可進行下一幀傳輸。

（6）如果計數(shù)器加滿，表示重傳次數(shù)溢出，則停止本次通信，同時報警提示目前該段信道惡劣，請擇機重傳。

4 結語

基于電力傳輸線的下一代物聯(lián)網(wǎng)絡，是一種新型的物聯(lián)接入方式，同時也是一種實用、綠色的通信方式，在生活和生產(chǎn)中都將會發(fā)揮出巨大作用。所開發(fā)的硬件電路平臺，用到的通信協(xié)議，都是針對于這種新型物聯(lián)網(wǎng)而專門設計的，經(jīng)過實際布網(wǎng)驗測，完全滿足通信的要求。在下一步的工作中，將繼續(xù)完善通信平臺和控制平臺，并對物連感知平臺做進一步研究。

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