淺談基于電力載波通訊的互聯(lián)網(wǎng)家居智能解決方案

摘 要：文章以家居智能系統(tǒng)為對象，分析了其以電力載波為信號傳輸方式實現(xiàn)家用電器及設(shè)施自動化、智能化的產(chǎn)品概況和制約其發(fā)展的優(yōu)缺點。據(jù)此提出了新的基于電力載波通訊技術(shù)的家居智能化系統(tǒng)及其互聯(lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案，示例說明了其系統(tǒng)各單元模塊的運行方式和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；電力載波通訊；家居智能系統(tǒng)；功能單元模塊

電力載波通訊（PLC）是電力系統(tǒng)特有的通信方式，是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點是不需要重新設(shè)置通信網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳輸。但是電力載波通訊因為有如下缺點，導致PLC技術(shù)應(yīng)用未能展開。

配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域內(nèi)傳輸；三相電力線間有很大信號損失以及較近距離不同相間可能會收到信號，所以一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸；電力線存在固有的脈沖干擾，即市電50赫茲交流電周期過0點時所產(chǎn)生的脈沖，時間約2ms；電力負荷對載波信號造成衰減，負荷過重時線路阻抗可低至1歐姆以下，造成對載波信號傳輸距離的影響可能從幾千米削減到幾十米。

隨著家居智能系統(tǒng)的興起，給PLC應(yīng)用帶來了一個新的轉(zhuǎn)機。在目前的家居智能系統(tǒng)中，以PC機為核心的家居智能系統(tǒng)最受青睞。該系統(tǒng)理念就是，隨著PC電腦的普及，可以將家用電器及設(shè)施需要處理的數(shù)據(jù)交給PC機來完成，這樣就需要在家電與PC機間構(gòu)建一個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在使用的多是無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，但是在家居環(huán)境中，墻壁的阻隔作用對無線傳輸?shù)木嚯x和質(zhì)量影響較大，特別是在別墅和躍層住宅中這一影響更加明顯。設(shè)置專用網(wǎng)線除了增加成本外，家電也無法根據(jù)需要移動位置。

PLC技術(shù)利用電力線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，無疑成為了解決智能家居數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴淹緩?。同時因為數(shù)據(jù)僅在家居范圍內(nèi)傳輸，制約PLC應(yīng)用的幾個因素已不明顯，遠程控制也能通過互聯(lián)網(wǎng)先聯(lián)接到PC機終端然后再控制家用設(shè)施的方式來實現(xiàn)。

PLC作為利用電力線組網(wǎng)的一種接入技術(shù)，具有極大的便捷性，只要有電源插座的地方不用專設(shè)網(wǎng)線就可享受高速寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，從而實現(xiàn)集數(shù)據(jù)、語音、視頻及電力于一體的“四網(wǎng)合一”。

電力載波在我國大概有數(shù)據(jù)傳輸（電力貓），多媒體傳輸（視頻音頻，IPTV等），指令傳輸（抄表系統(tǒng)及部分智能家居）等技術(shù)應(yīng)用。這些已不是新技術(shù)，但是在我國為什么沒有看到大規(guī)模的應(yīng)用呢？除了人們的接受需要時間外，還與國家電網(wǎng)的質(zhì)量以及電力載波系統(tǒng)的成本有較大關(guān)系。在遠距離的情況下，由于國家電網(wǎng)質(zhì)量及載波芯片設(shè)計等原因，電力載波方式上網(wǎng)帶寬一般只能達到1-7M。并且我國普通寬帶大部分在4-8M左右，這樣用普通寬帶上網(wǎng)或跑IPTV其實就是一樣的效果?，F(xiàn)在我國的網(wǎng)絡(luò)電視IPTV也不超過3M，所以電力載波網(wǎng)絡(luò)終端產(chǎn)品與高帶寬產(chǎn)品對于用戶是一樣的。在帶寬輸入一樣的情況下對傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性方面的要求非常重要，市場上流行的電力載波芯片和網(wǎng)絡(luò)終端產(chǎn)品已經(jīng)有了自動檢測電網(wǎng)環(huán)境的功能，使得電網(wǎng)環(huán)境的影響變的微乎其微。在QOS方面有8-16等級使信號傳輸更加穩(wěn)定。所以電力載波產(chǎn)品有了穩(wěn)定性和可靠性的保證則非常適合音頻和流媒體的傳輸。另外，電力載波產(chǎn)品可實現(xiàn)自動組網(wǎng)，2個終端的距離一般在200M左右。通過中繼功能可使幾個終端傳輸?shù)木嚯x加長到1公里以上，非常適合于電力遠程抄表系統(tǒng)、家庭局域通訊和各種監(jiān)控系統(tǒng)。

近幾年，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和移動互聯(lián)網(wǎng)的興起，基于電力載波通訊技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)家居智能科技已由互聯(lián)網(wǎng)PC機終端逐步延伸至移動智能終端，因其技術(shù)特點和結(jié)構(gòu)組成與PC機終端又有所不同，使得這種家居智能系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上變得越來越復(fù)雜才能滿足需求。加之，在享受高速寬帶網(wǎng)絡(luò)PLC接入方式便捷性的同時，寬帶AP平臺的電力線損耗、電磁輻射污染以及分散的每個家居智能設(shè)施網(wǎng)絡(luò)功能的必要和繁復(fù)，無形中增加了這種家居智能實現(xiàn)方式的成本和健康安全隱患。

要解決上述問題，一種可行的方案就是：只將家居智能系統(tǒng)所需的控制和通訊數(shù)據(jù)通過電力載波各單元模塊直接調(diào)制到電力線上，利用電力線路傳輸至電力載波各種聯(lián)絡(luò)及控制終端和智能家居電力載波中央處理及網(wǎng)絡(luò)單元，經(jīng)過解調(diào)分析出相關(guān)信息用于電力載波控制和聯(lián)絡(luò)終端以及聯(lián)網(wǎng)用于PC機終端或移動智能終端。此方式與文章前面談到的寬帶網(wǎng)絡(luò)最后一公里電力載波入戶方案的區(qū)別在于：電力線路是被用于傳輸已調(diào)制有用信息的載波信號而非寬帶網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸載體；好處在于：一般載波通訊只在有需要時（實時控制和通信）才會有信號輸出，沒有需要時只是普通的電力傳輸線。工程實踐時在電力線重點路徑使用屏蔽線可以最大限度的消除可能的電磁污染和人身安全隱患。再者，由于性能要求相對簡單和側(cè)重點的不同，承擔家居自動化、智能化的功能集成和聯(lián)網(wǎng)通訊的中央處理、電網(wǎng)環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)單元模塊可以相應(yīng)的要求簡單和便于實現(xiàn)。

1 下面，我們就簡要來談?wù)劵ヂ?lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)家居智能化系統(tǒng)的另一種構(gòu)成及其運行分析。

（1）家居智能電力載波開關(guān)模塊系列。此系列包括電力載波編碼發(fā)送及受控對象狀態(tài)檢測單元、電力載波接收解碼受控執(zhí)行及狀態(tài)回饋單元?？刂品绞綖榧瓤梢渣c對點配對使用，也可以多點混合分散控制使用，由此構(gòu)成從載波通訊、控制及狀態(tài)顯示等全面的電氣開關(guān)控制功能。又可以由智能家居中央處理單元集中聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)利用PC機終端或移動智能終端來控制和進行狀態(tài)顯示。按用途及負荷性質(zhì)可分為普通斷續(xù)開關(guān)模塊，調(diào)功、調(diào)壓、調(diào)頻開關(guān)模塊等。示例如圖1、圖2所示。

（2）家用電器電力載波接口單元模塊。我們試以現(xiàn)有的普通電視機與紅外遙控器之間的通訊聯(lián)系和控制為例，來簡要說明家電電力載波接口應(yīng)用實現(xiàn)的可能性：先于電視機紅外接收電路處加裝一只電力載波接收電路，利用其接收經(jīng)過解調(diào)的控制信號去代替紅外接收頭實現(xiàn)對電視機的控制；同時對現(xiàn)有的紅外遙控器加裝電力載波發(fā)送單元模塊以替代原有的紅外發(fā)射電路或兩套控制方式互相轉(zhuǎn)換并行不悖。由于成功的將紅外遙控系統(tǒng)改造成載波遠控及紅外遙控雙功能遙控系統(tǒng)，使用中不但增加了便利，還因為普通電視具備了接收電力載波信號的能力，這樣，結(jié)合家居智能中央處理單元模塊強大的網(wǎng)絡(luò)及載波編碼控制和解析能力，就可以很方便地實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)智能終端實時操控電視機的功能。

據(jù)上，家電只要在內(nèi)部配備電力載波通信模塊，設(shè)計好程序，便可實現(xiàn)對原有家電的改造。家電廠家結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)科技應(yīng)用電力載波通訊技術(shù)進行家電智能化一體設(shè)計，便可輕松實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化和高度智能化。

（3）安防、消防電力載波單元。

（4）各種家居智能傳感及檢測載波單元。

（5）通用型家用電器電力載波接口。所謂通用型家用電器電力載波接口模塊與家用電器載波改造模塊類似，可替代各種專用模塊使用，和專用及一體化設(shè)計的家居各種載波單元模塊相比具有使用簡單，易于實現(xiàn)。中央單元解析信息量小，開發(fā)簡單，成本較低。缺點是功能簡單，自動化、智能化程度低。

（6）智能家居電力載波中央處理、電網(wǎng)環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)單元。此模塊是智能家居系統(tǒng)的處理核心。承擔載波信號采集，編解碼和發(fā)送，安防、消防等狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)，各種家居智能傳感器檢測數(shù)據(jù)。可實現(xiàn)多種方式的控制、數(shù)學建模以及運算輸出，實現(xiàn)家居智能化設(shè)施的定時、記憶及自適應(yīng)等自動控制功能，還可以通過其中的網(wǎng)絡(luò)單元接入互聯(lián)網(wǎng)，利用互聯(lián)網(wǎng)PC機終端或移動互聯(lián)網(wǎng)智能終端及其應(yīng)用實現(xiàn)遠程監(jiān)控家居智能系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。所以中央處理單元需要能實時處理多任務(wù)操作，以高效地驅(qū)動外圍模塊運行。

由于電力載波家居智能自成系統(tǒng)，高度一體化，能否長距離高效運行很大程度上處決于電網(wǎng)環(huán)境對載波傳輸?shù)挠绊憽４藛卧獌?nèi)集成的電網(wǎng)載波干擾抑制器能有效抑制家居智能系統(tǒng)相鄰干擾，高效利用載波頻率及編、解碼資源。

（7）家居智能電力載波各種聯(lián)絡(luò)及控制終端。

（8）互聯(lián)網(wǎng)PC機終端和移動互聯(lián)網(wǎng)智能終端及其應(yīng)用軟件。

基于電力載波技術(shù)的通訊控制系統(tǒng)，是家居智能化得以實現(xiàn)的一種新模式，是對傳統(tǒng)通訊控制系統(tǒng)的拓展。由于使用電力線作為載波信號的傳輸媒介，因此具有信息傳輸可靠，路由合理、可同時復(fù)用信號等特點。由于電力線和信號線合一，無須鋪設(shè)信號線，人們原來使用和維護習慣都不受影響。由于家居智能系統(tǒng)的信息量相對較小，電力載波傳輸速度慢的缺點不突出。因此，電力載波通訊技術(shù)在家居智能化應(yīng)用特別是在中速率傳輸應(yīng)用方面，因其可靠性高、造價低廉等優(yōu)點，具有顯著應(yīng)用價值和市場開發(fā)前景。

參考文獻

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