基于ES0191的電力線物聯網控制平臺

王勇斌，孫友偉

（西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安710121）

電力線載波（Power Line Carrier，PLC）通信萌芽于20世紀20年代，在低壓（220V）領域，PLC技術首先用于負荷控制、遠程抄表和家居自動化。未來的通信網絡正在向用戶側延伸，而物聯網是新一代信息技術的一個重要部分，也是國家“十二五”規(guī)劃中的一個重點項目。如果可以利用現有電力網絡廣泛巨大的資源，無需重新布線，結合物聯網，將會非常便捷的為人們提供服務。

傳統(tǒng)物聯網以無線傳感網絡［1］為主，而基于電力線的物聯網［2－3］，則是利用現有的電力網絡，構建有線物聯網，可以有效避免節(jié)點電池供電不足、無線電波相互干擾以及無線電波對環(huán)境的影響。如何把電力網絡與物聯網結合起來，使之最大限度的發(fā)揮服務功能，目前還未有有效的方法，因此，必須對原有的接入技術和無線傳感技術加以改進。

本文擬為電力線物聯網設計一種控制平臺，將物聯網中所有的節(jié)點設為對等節(jié)點，并為該平臺節(jié)點電路編寫統(tǒng)一的通信、控制和處理軟件，設計新的適合電力線物聯網使用的協(xié)議，開發(fā)新的幀結構，以實現電力線通信與物聯網平滑互連。

1 系統(tǒng)總體設計及工作原理

電力線物聯網的主要研究場景有生活場景、生產場景和農業(yè)場景［4］，其中的用電設備可以方便地接入網絡，從而實現物聯網構建，為用戶提供舒適的生活方式。不妨選取家庭生活場景作為研究對象。

生活場景中的電力線物聯網是一個低速的局域網，每個節(jié)點可以接收轉發(fā)信息，如圖1所示。場景中所有需要信息支持的設備連接在電力線上，電力線上有一個Internet節(jié)點，設備之間可以相互通信，當設備需要某些服務時也可以將信息通過Internet節(jié)點發(fā)送到互聯網，如房間內的溫度超過閥值，設備會聯系外出的主人詢問是否需要調節(jié)溫度，而插入土壤的濕度傳感器報警時，會把信息發(fā)送給澆水裝置對花盆澆水等等。Internet節(jié)點到以太網需要協(xié)議轉換［5］，在此暫不考慮。

圖1 生活場景中的電力線物聯網

圖2 低壓電力線物聯網系統(tǒng)結構

電力線物聯網由通信平臺、控制平臺、傳感平臺3個方面構成。控制平臺由微處理器以及協(xié)議軟件組成，保證節(jié)點正常穩(wěn)定的工作，為節(jié)點有序通信提供保障，本文重點研究控制平臺。實驗時選擇三個對等節(jié)點A、B、C，如圖2所示，通過電力載波芯片ES0191連接在低壓電力線上，由單片機AT89C2051控制，傳感器和LED液晶屏連接在單片機IO口上。節(jié)點A每隔5分鐘將采集的溫度［6］發(fā)送給節(jié)點B，節(jié)點B每隔10分鐘將采集的照度發(fā)送給節(jié)點C，節(jié)點C每隔20分鐘將采集的濕度發(fā)送給節(jié)點A，節(jié)點將接收到的數據顯示在液晶屏上。

2 節(jié)點硬件電路設計

基于電力線的物聯網只需要低速率的數據傳輸，選用ES0191作為電力載波芯片。ES0191是特別針對中國電力網惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的，采用BPSK擴頻調制，載波頻率為120kHz，傳輸速率500bps，能夠滿足實驗要求。

節(jié)點硬件電路設計如圖3所示。圖4為節(jié)點實物圖。

圖3 節(jié)點硬件電路設計

圖3 左上角部分為功率放大，對信號的電流進行放大，從而對功率進行放大，其中4個二極管是防止信號漂移；左下角部分為電路輸入輸出以及濾波，直接連接在電力線上，濾波器中心頻率為120kHz，帶寬15kHz；中間部分為信號放大，對衰減的信號進行前端放大，便于對信號正確的接收。

圖4 電力線物聯網節(jié)點實物圖

當節(jié)點發(fā)送信號時，信號經二進制移相鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調制后通過功率放大、變壓后輸出到電力線上；當節(jié)點接收信號時，信號經過耦合、濾波器濾除帶外噪聲，再進行信號放大后送給ES0191的ASI口。ES0191工作時需要外接一個9.6MHz的晶振，該晶振經過16分頻后得到600kHz的本振信號。從ASI口接收到的120kHz輸入信號與內部600kHz本振信號混頻后得到480kHz的差頻信號，送出芯片給陶瓷濾波器（480EU）進一步帶通濾波，然后再送入芯片進行內部限幅放大，解擴后將數據送給單片機。

3 控制平臺軟件設計

3.1 通信協(xié)議模型

由于電力線通信信道的特殊性，信道干擾強且不穩(wěn)定，需要有高效的通信協(xié)議來保證網絡中數據有序傳輸。電力線通信協(xié)議目前尚未有國際標準［7］，而是常常采用在以太網中使用的載波偵聽多址接入／沖突檢測（CSMA／CD）技術［8］，由于電力網絡環(huán)境不同于以太網，在電力線物聯網中使用此協(xié)議不能有效的控制用戶有序通信。無線通信環(huán)境復雜多變，更接近于電力線環(huán)境，無線局域網常常采用載波偵聽多址接入／沖突避免（CSMA／CA）技術。本文設計的電力線物聯網系統(tǒng)使用ES0191為電力線通信物理層提供優(yōu)化的編碼、調制和糾錯技術［9］，數據鏈路層采用類似 CSMA／CA 協(xié)議［10－11］。

3.2 載波幀結構設計

在電力線物聯網通信中，物理層提供設備與電力線之間的接口，數據從源到目的地址傳送通過二進制碼元完成。數據鏈路層采用半雙工通信方式，鏈路的建立和解除由發(fā)送節(jié)點發(fā)出信息幀來控制。載波幀結構如圖5所示。

在圖5中，預同步頭：6個字節(jié)，48比特持續(xù)高電平（0FFH），用于載波芯片捕獲和跟蹤接收到的信號。幀同步頭：幀頭1個字節(jié)0x09，幀尾一個字節(jié)0xAF。地址域：用1個字節(jié)表示地址，最多可以分配256個節(jié)點。0x01表示節(jié)點A，0x02表示節(jié)點B，0x03表示節(jié)點C。源地址：1個字節(jié)，發(fā)送節(jié)點的地址。目的地址：1個字節(jié)，接收節(jié)點的地址?？刂拼aC：1個字節(jié)，具體內容如圖6所示。

圖6 控制碼結構

在圖6中，D7表示傳送方向，D7＝0：發(fā)送節(jié)點發(fā)出命令幀，D7＝1：接收節(jié)點發(fā)出應答幀。D6表示應答，D6＝0：接收節(jié)點正確應答，D6＝1：接收節(jié)點對異常信息的應答。D5～D2保留，供以后使用。D1～D0表示功能碼，01表示讀數據，10表示寫數據。屬性：1個字節(jié)，表示發(fā)送內容，0x11發(fā)送數據為溫度，0x12發(fā)送數據為濕度，0x13為照度。數據長度域：1個字節(jié)，L為數據域的字節(jié)數。校驗碼：1個字節(jié)，采用8位CRC循環(huán)冗余校驗。

3.3 軟件設計

節(jié)點地址與采集數據的屬性在宏定義中定義。

＃define NODE1 0x01／＊節(jié)點1的地址＊／

＃define NODE2 0x02／＊節(jié)點2的地址＊／

＃define NODE3 0x03／＊節(jié)點3的地址＊／

＃define HOST NODE1

＃define TEMP 0x11／＊溫度碼＊／

＃define WETNESS 0x12／＊濕度碼＊／

＃define LIGHT 0x13／＊照度碼＊／

ES0191第4管腳為看門狗，門限為0.4s，為了避免程序跑偏，保證系統(tǒng)可靠運行不死機，節(jié)點程序中需要不斷喂狗，當系統(tǒng)故障或者程序跑偏時喂狗終止，ES0191會自動復位。

void T0＿time（void）interrupt 1／＊喂狗程序寫在定

時器中斷中＊／

｛

＋＋n；

TH0＝0x3C；

TL0＝0xAF；

／＊定時器0中斷周期為50ms，當n＝4時，定

時200ms＊／

if（n＝＝4）

｛

dog＝～dog；

n＝0；

｝

｝

發(fā)送數據時每字節(jié)數據采用高位在前，低位在后的方式。發(fā)送一個字節(jié)數據的程序如下。

sent＿data＝ w＿data；／＊發(fā)送數據＊／

num＝8；

while（num－－）

｛

data＿IO ＝ （bit）（sent＿data＆0x80）；

／＊data＿IO為ES0191數據收發(fā)管腳＊／

sent＿data＜＜＝1；

delay（1）；

while（～SYNC）；

d

elay（1）；

｝

3.4 數據采集及通信流程

系統(tǒng)采用多個采集節(jié)點的結構，當系統(tǒng)啟動時，每個節(jié)點初始化，啟動定時器，節(jié)點處于接收狀態(tài)，當檢測信道中有數據傳輸時，判斷幀中目的地址是否與自己相符，若相符合則發(fā)出應答幀后開始接收數據，若不相符則繼續(xù)檢測；當定時到達時節(jié)點轉為發(fā)送狀態(tài)，傳感器開始采集數據，節(jié)點檢測信道是否空閑，若信道繁忙節(jié)點在延遲240ms（同步碼間隔為2ms，傳輸1bit數據占用一個同步碼長，幀長15Byte，故15×8×2＝240ms）后再次檢驗，直到信道空閑發(fā)送請求幀，待收到接收節(jié)點發(fā)來應答并確認后發(fā)送數據，若300ms內未收到應答幀，重新發(fā)送請求，數據發(fā)送完畢后節(jié)點轉為接收狀態(tài)，等待下一次采集數據后再次發(fā)送。

4 小結

電力線物聯網以生活、生產、農業(yè)為場景，在電力線上構建通信平臺，在微處理器控制下，將傳感器獲得的信息有效的傳輸到物聯網系統(tǒng)中，從而滿足人們生產、生活的需要，為人們提供一個舒適、便利、信息暢通的高效居住生活環(huán)境。

但是電力線通信也存在很多問題：電力線是非均勻不平衡的傳輸線［12－13］，信道時變性強，線路分支多，多徑效應嚴重，容易產生符號間干擾；由于負載阻抗的不匹配，信號傳輸會出現反射、駐波、散射等復雜現象，導致近距點比遠距點衰耗大；電力線信道干擾情況復雜，種類繁多。實驗中在幾十米的范圍內數據可以正確接收，液晶屏顯示正常，隨著測試距離的增加液晶屏顯示混亂。需要對電力線抗干擾技術，阻抗隔離技術進行研究。

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