電力載波多聯(lián)機(jī)空調(diào)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

洪為偉　徐政

摘要：為了降低多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的成本、簡(jiǎn)化安裝工程，采用電力線載波通信技術(shù)構(gòu)建了多聯(lián)機(jī)空調(diào)的通信系統(tǒng)。首先根據(jù)系統(tǒng)控制的通信需求提出了基于窄帶電力線通信技術(shù)的解決方案；然后主要從信道接入控制和組網(wǎng)控制兩方面設(shè)計(jì)了包括物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的四層通信協(xié)議集，提出了基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避讓（CSMA/CA）設(shè)計(jì)思想的三種信道接入算法以及星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕M網(wǎng)算法；最后對(duì)11節(jié)點(diǎn)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了組網(wǎng)測(cè)試、正常通信測(cè)試和抗干擾測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明所提算法及方案能夠滿足多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制要求，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力；另外，所設(shè)計(jì)的通信協(xié)議具有開(kāi)放性，可以根據(jù)需求進(jìn)行修改，應(yīng)用于智能家居等短距離無(wú)中繼的實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)；電力載波通信；通信協(xié)議；載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避讓算法；組網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP393.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)通常由一臺(tái)室外機(jī)和多臺(tái)室內(nèi)機(jī)組成，室外機(jī)根據(jù)室內(nèi)機(jī)的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)和制冷/制熱量需求，結(jié)合室外環(huán)境條件，實(shí)施系統(tǒng)控制。室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間的通信目前均采用專用數(shù)據(jù)線，整個(gè)系統(tǒng)布線復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文嘗試采用窄帶電力線載波通信（Power Line Carrier Communication， PLCC）技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題，直接利用電力線作為通信介質(zhì)[1]，無(wú)需另外布線。

PLCC技術(shù)在應(yīng)用中主要涉及物理和系統(tǒng)兩個(gè)層面的問(wèn)題。物理層面主要包括信道問(wèn)題及信號(hào)耦合問(wèn)題。電力線是為工頻交流輸配電而設(shè)計(jì)的，作為通信介質(zhì)，環(huán)境差且干擾多[2-4]，對(duì)信號(hào)編碼要求高。而新一代載波通信技術(shù)——正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）[5]，在低速率情況下通信可靠性高，采用該技術(shù)能夠滿足空調(diào)通信系統(tǒng)的需要。另外，由于低壓電力線輸入阻抗具有隨機(jī)性和時(shí)變性[6-7]，使信號(hào)耦合難以尋到最佳功率匹配點(diǎn)，影響電力線上的載波信號(hào)強(qiáng)度。在多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中，通過(guò)測(cè)量常用環(huán)境電力線上的阻抗分布，選取典型阻抗值作為耦合電路阻抗設(shè)計(jì)參考值，可有效解決這一問(wèn)題。

在系統(tǒng)應(yīng)用層面，目前窄帶PLCC技術(shù)主要應(yīng)用于低速率的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送，如智能抄表等，很少在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。且窄帶PLCC技術(shù)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議[8]，處于廠家各自開(kāi)發(fā)的狀態(tài)。本文根據(jù)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)通信要求及PLCC技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一整套通信協(xié)議集，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的可靠通信，滿足多聯(lián)機(jī)空調(diào)實(shí)時(shí)控制的需求。

PLCC技術(shù)在多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用展現(xiàn)了其優(yōu)越性。與現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)相比，PLCC技術(shù)具有無(wú)需布線、自組織性良好、穿墻能力強(qiáng)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee技術(shù)穿墻能力弱，但具有非常強(qiáng)的自組網(wǎng)特性，支持節(jié)點(diǎn)數(shù)多，適用于空曠環(huán)境下的近場(chǎng)通信，如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi技術(shù)的特點(diǎn)是大容量、高速率，但自組網(wǎng)能力差，穿墻能力弱，解決的問(wèn)題主要面向無(wú)線接入。目前無(wú)線通信技術(shù)在智能家居領(lǐng)域已經(jīng)得到了諸多應(yīng)用，與之相比，PLCC技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)較少，原因主要在于窄帶PLCC技術(shù)高通信速率和可靠性難以兼得。但PLCC技術(shù)由于其無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)使其在智能家居領(lǐng)域仍然成為一種非常具有潛力的解決方案。

1多聯(lián)機(jī)空調(diào)電力載波通信系統(tǒng)解決方案

多聯(lián)機(jī)空調(diào)通信系統(tǒng)是由一個(gè)室外機(jī)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)室內(nèi)機(jī)從節(jié)點(diǎn)組成的星型網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)共享電力線物理介質(zhì)。系統(tǒng)中所有通信均由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起，從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)。以海爾多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)為例，由一個(gè)室外機(jī)主節(jié)點(diǎn)及最多64個(gè)室內(nèi)機(jī)從節(jié)點(diǎn)組成，通信時(shí)序如圖1所示，具體需求如下：

1）在主節(jié)點(diǎn)廣播詢問(wèn)幀后，所有從節(jié)點(diǎn)應(yīng)立即依次回應(yīng)狀態(tài)參數(shù)，主節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并校驗(yàn)。若在200ms間隔內(nèi)主節(jié)點(diǎn)未收到從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答幀，就認(rèn)為本輪通信結(jié)束，將啟動(dòng)下一輪通信。

2）平均每個(gè)從節(jié)點(diǎn)應(yīng)答時(shí)間應(yīng)控制在230ms內(nèi)，以滿足一輪通信時(shí)間短于15s的要求，保證空調(diào)系統(tǒng)的控制特性。

3）從節(jié)點(diǎn)之間不通信，都只與主節(jié)點(diǎn)通信。

4）主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)通信距離較短，無(wú)需中繼轉(zhuǎn)發(fā)，直接采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

為了防止從節(jié)點(diǎn)同時(shí)返回應(yīng)答幀時(shí)在電力線上產(chǎn)生沖突，本文提出如下解決方案。在正常通信前先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)，給每個(gè)從節(jié)點(diǎn)分配從1開(kāi)始的按順序的地址碼。組網(wǎng)完成后，開(kāi)始進(jìn)入正常通信階段，主節(jié)點(diǎn)廣播詢問(wèn)幀后，各從節(jié)點(diǎn)將按照地址碼大小延時(shí)不同的固定時(shí)間，依次發(fā)送應(yīng)答幀。這種方式在正常通信時(shí)將不存在信道沖突問(wèn)題，可靠性高，且每輪通信時(shí)間最短。組網(wǎng)只在系統(tǒng)第一次上電時(shí)進(jìn)行，組網(wǎng)完成后各節(jié)點(diǎn)的地址都將保存在電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory， EEPROM），以后每次上電都直接讀取地址。

2通信協(xié)議設(shè)計(jì)

采用分層協(xié)議設(shè)計(jì)思想來(lái)設(shè)計(jì)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)載波通信協(xié)議[9-11]。協(xié)議參考開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnection， OSI）模型[12]而設(shè)計(jì)，共分四層，分別為物理層（PHYsical layer， PHY）、介質(zhì)訪問(wèn)控制（Medium Access Control， MAC）層、網(wǎng)絡(luò)層（NETwork layer， NET）及應(yīng)用層（APPlication layer， APP）。每一層負(fù)責(zé)不同的通信功能，為上層提供端對(duì)端通信服務(wù)。

各層均維護(hù)一個(gè)管理實(shí)體及本層信息庫(kù)，通過(guò)服務(wù)接口為各自上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。上層通過(guò)調(diào)用服務(wù)接口原語(yǔ)[12-14]來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的傳送及對(duì)下層的管理。

2.1物理層

系統(tǒng)在物理層上為對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用廣播的方式進(jìn)行通信，硬件采用LME2980載波芯片電路系統(tǒng)。該芯片采用OFDM技術(shù)，支持多種子載波調(diào)制模式，支持用戶自定義通信協(xié)議，具有通信效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

物理層通過(guò)服務(wù)接口原語(yǔ)為MAC層提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)包括比特流的發(fā)送和接收；管理服務(wù)包括電力線信道狀態(tài)評(píng)估、物理層信息庫(kù)（Physical layer Information Base， PIB）屬性參數(shù)的獲取及設(shè)置。物理層參考模型[14]如圖2所示，其中物理層管理實(shí)體（Physical Layer Manage Entity， PLME）維護(hù)一個(gè)PIB。

2.1.1物理層幀格式

物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元只包括數(shù)據(jù)幀，結(jié)構(gòu)如表1所示。同步頭長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)分組所采用的調(diào)制模式有關(guān)；數(shù)據(jù)域承載MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元；校驗(yàn)采用32位循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclical Redundancy Check， CRC），校驗(yàn)區(qū)域?yàn)槌筋^以外所有字節(jié)區(qū)域。

2.1.2服務(wù)原語(yǔ)

物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接口（Physical layer Data Service Access Point， PD-SAP）包括數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ)、數(shù)據(jù)請(qǐng)求確認(rèn)原語(yǔ)和數(shù)據(jù)指示原語(yǔ)；物理層管理實(shí)體服務(wù)接口（PLME-SAP）包括空閑信道評(píng)估（Clear Channel Assessment， CCA）請(qǐng)求和確認(rèn)原語(yǔ)、PIB屬性設(shè)置/獲取請(qǐng)求和確認(rèn)原語(yǔ)。MAC層通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的發(fā)送和接收，通過(guò)調(diào)用管理服務(wù)原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層的管理。

2.2MAC層

MAC層負(fù)責(zé)信道接入控制，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)層提供可靠的端對(duì)端通信服務(wù)。采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避讓（Carrier Sense Multiple Access with Collsion Avoidance， CSMA/CA）算法[14-16]的設(shè)計(jì)思想，MAC層提供三種信道接入方式，滿足多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的不同通信需求。在MAC層發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，信道接入方式由網(wǎng)絡(luò)層指定。

MAC層為網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，管理服務(wù)包括信道接入控制、MAC層信息庫(kù)（MAC layer Information Base， MIB）屬性參數(shù)的設(shè)定及獲取。MAC層參考模型[16]如圖3所示，其中MAC層管理實(shí)體（MAC Layer Manage Entity， MLME）維護(hù)一個(gè)MIB。

2.2.1MAC層幀格式

MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元包括數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀。通用幀由MAC層幀頭和MAC層幀載荷兩部分構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如表2所示。

MAC層維護(hù)長(zhǎng)地址和短地址兩套地址系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有唯一的6B長(zhǎng)地址，短地址在組網(wǎng)過(guò)程中由主節(jié)點(diǎn)分配，長(zhǎng)度為1B。幀控制域包含多個(gè)子域，主要包括幀類型、確認(rèn)請(qǐng)求位、源地址類型、目的地址類型等多個(gè)子域。幀序號(hào)由MAC層幀序號(hào)計(jì)數(shù)器維護(hù)；網(wǎng)絡(luò)地址唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)多聯(lián)機(jī)空調(diào)網(wǎng)絡(luò)，由主節(jié)點(diǎn)控制產(chǎn)生，在組網(wǎng)時(shí)分配給各從節(jié)點(diǎn)；源地址和目的地址類型由幀控制域中子域決定；數(shù)據(jù)域承載網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)與通用幀完全相同，確認(rèn)幀只有通用幀的幀頭，沒(méi)有幀載荷。只有在接收到的數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)請(qǐng)求子域設(shè)置為需要確認(rèn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)才發(fā)送確認(rèn)幀。

2.2.2信道接入算法描述

MAC層提供三種信道接入方式：CSMA/CA-1、CSMA/CA-2和無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入，分別在發(fā)送不同數(shù)據(jù)分組時(shí)采用。

CSMA/CA算法的基本思想是：當(dāng)MAC層需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先檢測(cè)信道狀態(tài)；若信道空閑就啟動(dòng)發(fā)送；若信道忙，則隨機(jī)退避一段時(shí)間再次檢測(cè)信道狀態(tài)重復(fù)上述過(guò)程。該算法存在兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：隨機(jī)退避時(shí)間和退避次數(shù)。在PLCC中該算法并不能保證數(shù)據(jù)每次都發(fā)送成功，只能降低數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的概率，尤其是在同一時(shí)間需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目很多時(shí)。根據(jù)隨機(jī)退避時(shí)間的設(shè)計(jì)思想不同，該算法分為CSMA/CA-1和CSMA/CA-2兩種接入算法。

1）CSMA/CA-1算法。

CAMA/CA-1算法的隨機(jī)退避時(shí)間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小來(lái)確定，此時(shí)退避時(shí)間與退避次數(shù)無(wú)關(guān)，只與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)。

隨機(jī)退避時(shí)間=rand（）%網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；

rand（）為隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生函數(shù)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用各自唯一長(zhǎng)地址來(lái)獲得差異化的種子，從而產(chǎn)生不同的隨機(jī)數(shù)；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模指網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)數(shù)，在實(shí)際使用時(shí)也可用同一時(shí)刻要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)替代。該算法可使同一時(shí)刻需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)獲得盡可能不同的退避時(shí)間且退避時(shí)間不是過(guò)長(zhǎng)。

該算法適用于網(wǎng)絡(luò)中所有從節(jié)點(diǎn)要同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送的情況，為了使數(shù)據(jù)發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)盡可能地多，應(yīng)盡可能使不同節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信道的時(shí)刻不同。在多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程中從節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求入網(wǎng)命令采用該算法接入信道，退避次數(shù)設(shè)為1。

2）CSMA/CA-2算法。

CAMA/CA-2算法的隨機(jī)退避時(shí)間與退避次數(shù)有關(guān)。節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)發(fā)送時(shí)，退避指數(shù)（Backoff Exponent， BE）設(shè)置為規(guī)定的最小退避指數(shù)，隨機(jī)退避時(shí)間取（0，2BE-1）區(qū)間的隨機(jī)數(shù)。之后，每退避一次，BE取min（BE+1，MaxBE），直到節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功或退避次數(shù)超過(guò)規(guī)定的最大退避次數(shù)，其中MaxBE為規(guī)定的最大退避指數(shù)。

該算法適用于沒(méi)有嚴(yán)格通信時(shí)序的隨機(jī)通信，即各節(jié)點(diǎn)通信時(shí)刻不固定且不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)通信。在本系統(tǒng)中，組網(wǎng)時(shí)的相關(guān)命令采用該算法接入信道，最大退避次數(shù)設(shè)為2。

3）無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入。

當(dāng)無(wú)需檢測(cè)信道就能確定信道空閑時(shí)，就可以直接啟動(dòng)數(shù)據(jù)的發(fā)送，稱為無(wú)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送。在多聯(lián)機(jī)空調(diào)載波通信系統(tǒng)正常通信階段，由于各從節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格按照短地址先后順序發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)分組，當(dāng)輪到某一從節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)時(shí)，信道一定是空閑的，此時(shí)就采用無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入方式。

2.2.3服務(wù)原語(yǔ)

MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)接口（MAC layer Data Service Access Point， MD-SAP）包括數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ)和數(shù)據(jù)指示原語(yǔ)，信道接入控制在數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ)中實(shí)現(xiàn)；MAC層管理實(shí)體服務(wù)接口（MLME-SAP）包括MIB屬性設(shè)置/獲取請(qǐng)求和確認(rèn)原語(yǔ)。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)調(diào)用MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的傳送，通過(guò)調(diào)用MAC層管理服務(wù)原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)MAC層屬性參數(shù)的設(shè)置和獲取。

2.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)組網(wǎng)控制，同時(shí)為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層參考模型如圖4所示，其中網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（Network Layer Manage Entity， NLME）維護(hù)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層信息庫(kù)（Network layer Information Base， NIB）。數(shù)據(jù)服務(wù)包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；管理服務(wù)包括組網(wǎng)、NIB屬性的設(shè)定及獲取。

2.3.1網(wǎng)絡(luò)層幀格式

網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元包括數(shù)據(jù)幀和命令幀，通用幀格式如表3所示。幀控制域主要包括幀類型、網(wǎng)絡(luò)層版本號(hào)等子域；數(shù)據(jù)域在數(shù)據(jù)幀時(shí)承載應(yīng)用層數(shù)據(jù)，命令幀時(shí)承載網(wǎng)絡(luò)層命令數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)維護(hù)4個(gè)組網(wǎng)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)控制功能。

2.3.2組網(wǎng)算法描述

組網(wǎng)啟動(dòng)后主節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送請(qǐng)求組網(wǎng)命令幀，收到該命令后的所有從節(jié)點(diǎn)將采用CSMA/CA-1算法接入信道向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求入網(wǎng)命令幀。在該請(qǐng)求組網(wǎng)命令下，主節(jié)點(diǎn)將收到多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求入網(wǎng)命令，主節(jié)點(diǎn)將這些從節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)地址記下，等待固定時(shí)間后給這些從節(jié)點(diǎn)一一發(fā)送節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)應(yīng)答命令，分配網(wǎng)絡(luò)地址和按順序的短地址，信道接入采用CSMA/CA-2算法。各個(gè)從節(jié)點(diǎn)在收到主節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)應(yīng)答命令后，將發(fā)送節(jié)點(diǎn)確認(rèn)入網(wǎng)命令通知主節(jié)點(diǎn)該從節(jié)點(diǎn)已經(jīng)入網(wǎng)成功。一個(gè)從節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)過(guò)程如圖5所示。

由于主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次請(qǐng)求組網(wǎng)命令，只能使一部分從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，主節(jié)點(diǎn)在一次組網(wǎng)過(guò)程中將發(fā)送多次請(qǐng)求組網(wǎng)命令，直到所有從節(jié)點(diǎn)均入網(wǎng)為止。在組網(wǎng)過(guò)程中，已經(jīng)入網(wǎng)的從節(jié)點(diǎn)在收到后續(xù)請(qǐng)求組網(wǎng)命令時(shí)，不再請(qǐng)求入網(wǎng)。判斷所有節(jié)點(diǎn)都入網(wǎng)的標(biāo)志是主節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送3次請(qǐng)求組網(wǎng)命令均沒(méi)有從節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求入網(wǎng)，此時(shí)認(rèn)為所有節(jié)點(diǎn)均已入網(wǎng)，可以通知上層組網(wǎng)完成，進(jìn)入正常通信階段。

2.3.3服務(wù)原語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)接口（Network layer Data Service Access Point， ND-SAP）包括數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ)、數(shù)據(jù)指示原語(yǔ)和命令請(qǐng)求原語(yǔ)；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接口（NLME-SAP）包括組網(wǎng)請(qǐng)求原語(yǔ)、NIB屬性設(shè)置/獲取請(qǐng)求和確認(rèn)原語(yǔ)。應(yīng)用層通過(guò)調(diào)用組網(wǎng)請(qǐng)求原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)組網(wǎng)功能的控制；通過(guò)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的傳送；通過(guò)調(diào)用NIB屬性原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層屬性參數(shù)的管理。

2.4應(yīng)用層

應(yīng)用層直接面對(duì)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的空調(diào)控制器，負(fù)責(zé)為載波模塊與空調(diào)控制器之間提供通信服務(wù)接口，主要包括載波通信服務(wù)和本地通信服務(wù)。應(yīng)用層參考模型如圖6所示。

2.4.1載波通信服務(wù)描述

應(yīng)用層載波通信服務(wù)接口為主節(jié)點(diǎn)空調(diào)控制器與從節(jié)點(diǎn)空調(diào)控制器之間提供可靠的端對(duì)端通信服務(wù)。當(dāng)應(yīng)用層通過(guò)串口收到空調(diào)控制器的數(shù)據(jù)幀時(shí)，解析后打包成應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)將其發(fā)送出去；當(dāng)應(yīng)用層收到網(wǎng)絡(luò)層上傳的數(shù)據(jù)幀時(shí)，將其解析打包成端口控制協(xié)議（Port Control Protocol， PCP）數(shù)據(jù)幀，通過(guò)串口上傳給空調(diào)控制器。應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元只包括數(shù)據(jù)幀，幀格式如表4所示。

2.4.2本地通信服務(wù)描述

空調(diào)控制器通過(guò)串口與應(yīng)用層通信，定義PCP協(xié)議來(lái)滿足二者之間的通信需求。PCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元包括數(shù)據(jù)幀、命令幀、應(yīng)答幀及確認(rèn)幀，通用幀格式定義如表5所示。

幀控制域主要包括幀類型、確認(rèn)請(qǐng)求等子域。數(shù)據(jù)域承載空調(diào)控制器數(shù)據(jù)，與幀類型有關(guān)。

PCP為空調(diào)控制器提供可擴(kuò)展的命令類型及相應(yīng)的應(yīng)答確認(rèn)服務(wù)。組網(wǎng)啟動(dòng)由空調(diào)控制器控制，當(dāng)需要組網(wǎng)時(shí)，由空調(diào)控制器發(fā)送組網(wǎng)啟動(dòng)命令給應(yīng)用層，隨后應(yīng)用層通知網(wǎng)絡(luò)層啟動(dòng)組網(wǎng)。組網(wǎng)完成后，應(yīng)用層發(fā)送組網(wǎng)完成命令通知空調(diào)控制器組網(wǎng)完成，可以進(jìn)入正常通信階段。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試系統(tǒng)由1個(gè)室外機(jī)主節(jié)點(diǎn)和10個(gè)室內(nèi)機(jī)從節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)硬件采用海爾多聯(lián)機(jī)空調(diào)控制板和LME2980載波通信模塊。

3.1組網(wǎng)測(cè)試

組網(wǎng)成功是系統(tǒng)正常通信的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)最關(guān)鍵的測(cè)試，采用監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)過(guò)程來(lái)評(píng)估組網(wǎng)效果。通過(guò)串口軟件給主節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)啟動(dòng)命令，隨后通過(guò)串口打印出主節(jié)點(diǎn)的整個(gè)組網(wǎng)過(guò)程。組網(wǎng)測(cè)試過(guò)程如圖7所示。

從圖7中組網(wǎng)過(guò)程來(lái)看，主節(jié)點(diǎn)在廣播首幀請(qǐng)求組網(wǎng)命令后，收到了5個(gè)從節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求命令，隨后主節(jié)點(diǎn)立刻依次給各個(gè)從節(jié)點(diǎn)分配了9B 9F的網(wǎng)絡(luò)地址和從01到05的短地址，也即在首幀請(qǐng)求組網(wǎng)命令下，有5個(gè)從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)；隨后主節(jié)點(diǎn)廣播了第二幀請(qǐng)求組網(wǎng)命令，有2個(gè)從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，分配的短地址為06和07；隨后主節(jié)點(diǎn)廣播了第三幀請(qǐng)求組網(wǎng)命令，有3個(gè)從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，分配的短地址為08、09和0A；之后主節(jié)點(diǎn)連續(xù)3次廣播的請(qǐng)求組網(wǎng)命令，均沒(méi)有收到從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求，主節(jié)點(diǎn)判斷組網(wǎng)成功，隨后給上位機(jī)發(fā)送了組網(wǎng)成功的狀態(tài)命令，至此本輪組網(wǎng)結(jié)束。

從測(cè)試結(jié)果可知，主節(jié)點(diǎn)成功給10個(gè)從節(jié)點(diǎn)分配了9B 9F的網(wǎng)絡(luò)地址和從01到0A的短地址，10個(gè)從節(jié)點(diǎn)均入網(wǎng)成功，整個(gè)系統(tǒng)組網(wǎng)成功。

3.2正常通信測(cè)試

在組網(wǎng)完成后的正常通信階段，主節(jié)點(diǎn)廣播一幀后，觀測(cè)從節(jié)點(diǎn)是否按照地址順序依次發(fā)送應(yīng)答幀，評(píng)估正常通信效果。測(cè)試過(guò)程中，主節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)參數(shù)詢問(wèn)幀，各從節(jié)點(diǎn)收到后，返回各自短地址作為應(yīng)答幀，在這里各從節(jié)點(diǎn)應(yīng)答間隔時(shí)間固定為200ms。系統(tǒng)正常通信測(cè)試過(guò)程如圖8所示。

從圖8中可看出，主節(jié)點(diǎn)在廣播參數(shù)詢問(wèn)幀后，主節(jié)點(diǎn)收到的應(yīng)答幀完全是按照地址順序排列的，也即所有從節(jié)點(diǎn)在收到主節(jié)點(diǎn)的廣播幀后，立刻按照從01到0A的地址順序發(fā)送了各自應(yīng)答幀。在第41s時(shí)，主節(jié)點(diǎn)共收到了5個(gè)應(yīng)答幀，在第42s也收到了5個(gè)應(yīng)答幀，顯然每幀間隔為200ms，與設(shè)定間隔時(shí)間相同。綜上可知，組網(wǎng)后整個(gè)系統(tǒng)能夠正常通信。

3.3抗干擾測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)通信的可靠性，進(jìn)行了抗干擾性能測(cè)試。測(cè)試環(huán)境選在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)接入點(diǎn)，共有10臺(tái)單相3kW和1臺(tái)三相10kW的光伏并網(wǎng)逆變器以及變頻空調(diào)等大功率用電設(shè)備。當(dāng)這些設(shè)備全部處于工作狀態(tài)，將11節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)置于此環(huán)境下進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試和系統(tǒng)正常通信測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)能夠在這種強(qiáng)諧波干擾情況下正常通信。

3.4測(cè)試總結(jié)

組網(wǎng)測(cè)試的成功直接驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)算法的可行性，也間接驗(yàn)證了MAC層信道接入算法的可行性；正常通信測(cè)實(shí)驗(yàn)證了多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)基于PLCC技術(shù)的通信解決方案是可行的；抗干擾測(cè)試表明了該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的可靠通信。

4結(jié)語(yǔ)

本文所提出的組網(wǎng)算法和信道接入算法成功解決了信道沖突問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的通信協(xié)議完全滿足多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的通信需求，在實(shí)時(shí)控制中具有良好的表現(xiàn)。鑒于窄帶PLCC技術(shù)低速的特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，窄帶PLCC技術(shù)多用于短距離無(wú)中繼的通信情況。在實(shí)時(shí)控制方面，本文方法主要通過(guò)系統(tǒng)在正常通信前的組網(wǎng)來(lái)解決系統(tǒng)在正常通信情況下的信道沖突問(wèn)題，正常通信時(shí)各節(jié)點(diǎn)按照短地址順序依次發(fā)送數(shù)據(jù)，通信過(guò)程無(wú)任何沖突，同時(shí)保證了任意時(shí)刻均有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，使整個(gè)系統(tǒng)通信效率最高，能達(dá)到實(shí)時(shí)通信的目的；而且本文所設(shè)計(jì)的協(xié)議為開(kāi)放性協(xié)議，擴(kuò)展性良好，可以在不同協(xié)議層增加相關(guān)內(nèi)容，使各協(xié)議層的功能更加完善，應(yīng)用于智能家居等不同領(lǐng)域。

此外，低壓PLCC技術(shù)在協(xié)議層面的研究目前主要集中在網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)路由這一塊，主要包括基于蟻群算法的組網(wǎng)路由算法和基于非交疊分簇的組網(wǎng)路由算法[17-18]。本文提出的組網(wǎng)算法適用于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的自組織性，在組網(wǎng)過(guò)程中無(wú)需事先知道網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的地址；同時(shí)其設(shè)計(jì)思想適用于具有多層節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如低壓配電網(wǎng)。低壓配電網(wǎng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處于盲態(tài)，這就要求組網(wǎng)算法適應(yīng)盲態(tài)組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，并且對(duì)變化前后的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，算法具有同等的組網(wǎng)能力。以本文組網(wǎng)算法為基礎(chǔ)，可以提出適用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)的多層節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)算法，其基本思想是在主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)組網(wǎng)后，采用本文提出的組網(wǎng)算法進(jìn)行組網(wǎng)，入網(wǎng)的從節(jié)點(diǎn)定義為第一層節(jié)點(diǎn)，再?gòu)牡谝粚庸?jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，由該節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)組網(wǎng)，入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)定義為第二層節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述過(guò)程，從每層節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)作為下次組網(wǎng)的主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均入網(wǎng)為止。采用這種方式組網(wǎng)并不需要知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且對(duì)所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均具有同等的組網(wǎng)效果。該多層節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)算法與基于非交疊分簇的路由算法相類似，但其自組織性更強(qiáng)，在組網(wǎng)過(guò)程中，無(wú)需事先知道各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址。該算法在理論上完全能夠滿足低壓配電網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)需求，但在實(shí)際使用中還需驗(yàn)證其效率及找出最佳使用條件，這些都是后續(xù)需要繼續(xù)研究的方向。

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