物聯(lián)網(wǎng)寬帶PLC家電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

摘要：介紹了寬帶PLC應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)家電中的一種方案，同時(shí)說(shuō)明了物聯(lián)網(wǎng)家電針對(duì)PLC通訊的需求特性，并依據(jù)需求特性選擇了寬帶PLC模塊所使用的主要器件及功能模塊。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)寬帶PLC家電；跨相耦合；自動(dòng)組網(wǎng)；同相干擾

1 物聯(lián)網(wǎng)寬帶PLC家電系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
    物聯(lián)網(wǎng)寬帶PLC電力線載波通信家電是將家電本身的一些信息，通過(guò)電力線發(fā)送到PLC網(wǎng)關(guān)，PLC網(wǎng)關(guān)再將家電發(fā)送的數(shù)據(jù)信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到所需要的地方，同時(shí)又可以將用戶的需求通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送PLC網(wǎng)關(guān)，PLC網(wǎng)關(guān)將需求命令數(shù)據(jù)通過(guò)電力線發(fā)送給PLC家電，家電按照用戶的需求指令進(jìn)行運(yùn)行、反饋運(yùn)行信息等。

    物聯(lián)網(wǎng)寬帶PLC家電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括感知層、PLC通訊層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等幾部分。其物理構(gòu)成如圖1所示。其中冰箱、熱水器等接收用戶可以通過(guò)手機(jī)、PAD、電腦等發(fā)送查詢、控制命令，同時(shí)冰箱、熱水器等家電再根據(jù)用戶的指令信息返同用戶需要的數(shù)據(jù)給手機(jī)、PAD、電腦等設(shè)備。由于網(wǎng)關(guān)及家電都內(nèi)置PLC模塊，故此處的數(shù)據(jù)傳輸不再通過(guò)無(wú)線或網(wǎng)線等傳統(tǒng)方式，而是直接采用電力線進(jìn)行傳輸并且由于采用了PLC通訊，熱水器、空調(diào)等家電設(shè)備還可以設(shè)計(jì)成顯示板與整機(jī)分離，即方便操作，又能給用戶帶來(lái)舒適的體驗(yàn)。

2 電力線載波通信(PLC)物聯(lián)網(wǎng)家電的特點(diǎn)
    PLC物聯(lián)網(wǎng)家電異于普通的家電設(shè)備，也異于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)的傳輸依靠電力線，并且家電設(shè)備直接面對(duì)用戶來(lái)進(jìn)行操作、顯示，故要求各個(gè)家電設(shè)備具有適當(dāng)?shù)母袘?yīng)、傳輸速度、較強(qiáng)抗干擾能力、互聯(lián)互通、自動(dòng)組網(wǎng)、較高的通訊可靠性、適度的傳輸距離等。
    適當(dāng)?shù)母袘?yīng)、傳輸速度針對(duì)不同的家電，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速度要求往往不同。如一般的熱水器、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)等不需要傳輸圖像、聲音的家電，10 k以內(nèi)的傳輸速度足夠。而針對(duì)物聯(lián)電視、電腦等視頻設(shè)備則需要幾百k以上的傳輸速率。
    較強(qiáng)的抗干擾能力一般指在一定的范圍內(nèi)，如果存在多個(gè)PLC設(shè)備或者電力線上存在和傳輸頻率相同的干擾時(shí)，每個(gè)設(shè)備問(wèn)能夠正常通訊而不被其它影響。
    互聯(lián)互通(M2M)指物聯(lián)網(wǎng)家電之間、Internet與物聯(lián)網(wǎng)家電之間能夠互相通訊，傳遞相關(guān)信息，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)“人在外家就在身邊、人在家世界就在眼前”。
    自動(dòng)組網(wǎng)指通過(guò)一定的措施，使需要互聯(lián)互通的家電能夠自己選擇組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，且不與不需組網(wǎng)的PLC設(shè)備組網(wǎng)。
    較高的通訊可靠性指聯(lián)網(wǎng)家電必須有效地進(jìn)行通訊，而不能像遠(yuǎn)程抄表那樣，因?yàn)橐淮瓮ㄓ嵆晒β实投坏貌欢啻纬x，而物聯(lián)網(wǎng)家電則要求必須滿足人們對(duì)操控、欣賞的舒適性要求。
    適度的傳輸距離指一般互聯(lián)互通的家電在同一住戶內(nèi)，如果傳輸距離太遠(yuǎn)，則用戶數(shù)量多的時(shí)候很容易影響到其他用戶，但控制在200 m以內(nèi)，則不會(huì)對(duì)其他用戶的使用產(chǎn)生太多的影響。

3 物聯(lián)網(wǎng)寬帶PLC家電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    基于PLC物聯(lián)網(wǎng)家電的特點(diǎn)，最核心技術(shù)是PLC通訊的技術(shù)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案主要從以下幾方面來(lái)講述在物聯(lián)網(wǎng)家電中如何通過(guò)PLC通訊實(shí)現(xiàn)家電的互聯(lián)互通。
3．1 物聯(lián)網(wǎng)PLC家電硬件構(gòu)成
    物聯(lián)網(wǎng)家電硬件構(gòu)成
    本文所指的物聯(lián)網(wǎng)PLC家電指由普通家電加上PLC通訊模塊構(gòu)成的家電，其硬件構(gòu)成如圖2所示。電視、冰箱等可將PLC通訊模塊直接整合在家電的內(nèi)部，而空洞、熱水器等除了將PLC通訊模塊整合在整機(jī)內(nèi)之外，還可將操作顯示板與整機(jī)進(jìn)行分離，操作顯示板內(nèi)部也嵌入PLC通訊模塊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)與操作顯示板雖然是分離的，但通過(guò)PLC通訊仍然能保持顯示板與整機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

    一般整機(jī)內(nèi)的PLC通訊模塊既負(fù)責(zé)與其對(duì)應(yīng)的顯示板進(jìn)行通訊，也負(fù)責(zé)與PLC終端網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。
    網(wǎng)絡(luò)交換處理IC負(fù)責(zé)接收INT6400傳來(lái)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后傳給RJ45接口。業(yè)務(wù)處理IC根據(jù)通訊協(xié)議解析接收到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口或UART接口直接傳送給家電PCB板上的MCU。同時(shí)將家電傳來(lái)的數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給INT6400。具體模塊構(gòu)成框圖如圖3所示。

3．2 物聯(lián)網(wǎng)PLC家電通訊關(guān)鍵技術(shù)軟件實(shí)現(xiàn)
    (1)PLC通訊整體介紹
    PLC通訊是指利用專用調(diào)制解調(diào)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后把信號(hào)加載到電力線中，在接收方通過(guò)對(duì)加載信號(hào)的解調(diào)，獲取傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行通信的技術(shù)。
    目前PLC通訊按通訊的帶寬可分為窄帶電力線載波通訊、寬帶電力線載波通訊：
    由于窄帶電力線通訊技術(shù)的調(diào)制方式、載波頻寬限制，導(dǎo)致傳輸速度、抗同相干擾性等功能并不適合載波家電的需求。
    寬帶電力線載波通訊技術(shù)一般采用一種多載波調(diào)制技術(shù)，即正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM)技術(shù)。其技術(shù)實(shí)現(xiàn)為，在頻域內(nèi)將指配的信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的子數(shù)據(jù)流，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各個(gè)子載波相互正交，并行傳輸。其技術(shù)特點(diǎn)是傳輸速度快，理論傳輸速度可達(dá)200 M，抗干擾能力強(qiáng)。所以根據(jù)以上的這些特點(diǎn)，寬帶PLC通訊技術(shù)較適合應(yīng)用于以電力貓為代表的室內(nèi)因特網(wǎng)接入、視頻監(jiān)控等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域，同時(shí)也適合于物聯(lián)網(wǎng)家電對(duì)通訊速率、抗干擾性等特性的需求。
     (2)如何實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通
    電力線上信號(hào)的傳輸協(xié)議采用TCP／IP協(xié)議，采用網(wǎng)絡(luò)密鑰認(rèn)證的機(jī)制，不同的家電之間進(jìn)行信息傳輸時(shí)，只要遵從相同的通訊協(xié)議，采用相同的網(wǎng)絡(luò)密鑰即可實(shí)現(xiàn)。
    (3)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)
    當(dāng)有新的設(shè)備接入時(shí)，通過(guò)兩種方式將新家電接入：
    第一種方式，在新設(shè)備及終端服務(wù)設(shè)備上都留有有線接口，當(dāng)將兩者通過(guò)信號(hào)線連接到一起時(shí)，新設(shè)備自動(dòng)發(fā)送注冊(cè)指令，終端服務(wù)設(shè)備接收到注冊(cè)指令之后，自動(dòng)將網(wǎng)絡(luò)密鑰、MAC地址、設(shè)備協(xié)議等信息發(fā)送給新設(shè)備，之后新設(shè)備再與組內(nèi)設(shè)備通訊時(shí)，采用終端服務(wù)設(shè)備發(fā)送給其的設(shè)備協(xié)議進(jìn)行通訊，從而完成新設(shè)備的自動(dòng)組網(wǎng)。
    第二種方式，按下終端服務(wù)設(shè)備上的注冊(cè)按鍵，終端服務(wù)設(shè)備只接收注冊(cè)協(xié)議。新設(shè)備通電之后，按下注冊(cè)按鍵，新設(shè)備自動(dòng)發(fā)送注冊(cè)信息到電力線，同時(shí)監(jiān)控終端服務(wù)設(shè)備回傳的注冊(cè)確認(rèn)信息，雙方確認(rèn)注冊(cè)信息正確之后，即完成自動(dòng)組網(wǎng)處理。將按鍵恢復(fù)初始狀態(tài)，兩者也采用原有系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰進(jìn)行正常通訊。
3．3 PLC通訊現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中問(wèn)題的解決方案
    (1)同相干擾的解決方案
    當(dāng)電力線干擾比較嚴(yán)重或者電力線上存在其它PLC設(shè)備時(shí)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致對(duì)傳輸信號(hào)的干擾，所以在軟硬件方面需要采取一定的濾波措施，以濾除線路上的干擾。
    由于INT6400子載波信號(hào)傳輸頻率在2～30 MHz之間，屬于高頻信號(hào)，所以硬件采用能夠?yàn)V除低頻信號(hào)的濾波電路，使高頻信號(hào)不衰減。
    在軟件方面電力線載波通訊將高頻信號(hào)采用OFDM技術(shù)耦合到電力線，子載波會(huì)根據(jù)線路的衰減情況，自動(dòng)選擇信號(hào)的調(diào)制方式，其中包括：QAM、QPSK、BPSK、ROBO等幾種方式，從而保證了傳輸時(shí)的抗干擾性，且提供了足夠的物聯(lián)家電使用帶寬網(wǎng)。同時(shí)同組載波設(shè)備采用相同的網(wǎng)絡(luò)密鑰，載波模塊檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)密鑰非法時(shí)，自動(dòng)丟棄收到的數(shù)據(jù)包，而相同時(shí)才對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。通信協(xié)議中還帶有MAC地址，同一組設(shè)備中某一設(shè)備根據(jù)MAC地址判定是否為發(fā)給自己的數(shù)據(jù)，組內(nèi)設(shè)備僅處理發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包。
    (2)跨相耦合的解決方案
    通訊數(shù)據(jù)在電力線傳輸?shù)倪^(guò)程中，信號(hào)在經(jīng)過(guò)某些空氣開(kāi)關(guān)等設(shè)備之后會(huì)有很大的衰減，信息傳輸不穩(wěn)定，數(shù)字家電的運(yùn)行穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。當(dāng)信號(hào)分屬電力線上的A、B、C三相時(shí)，往往更是導(dǎo)致3相間的信號(hào)無(wú)法傳輸。
    為了解決以上問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行以下分類處理。
    現(xiàn)場(chǎng)載波模塊之間的連接，按照載波信號(hào)是否跨相可分為兩種，即跨相與不跨相；根據(jù)載波信號(hào)是否跨空氣開(kāi)關(guān)又可分為兩種，即跨空氣開(kāi)關(guān)與不跨空氣開(kāi)關(guān)；故可以實(shí)現(xiàn)四種組合方式，即有四種具體硬件實(shí)施方案：
    (1)同相載波信號(hào)不跨空氣開(kāi)關(guān)
    此種情況最為簡(jiǎn)單，在一般的家庭內(nèi)，電力線上傳輸?shù)妮d波信號(hào)即使有衰減也不會(huì)太大，故直接將有需要聯(lián)網(wǎng)的家電接入室內(nèi)的電力線上即可，無(wú)需增加其他耦合設(shè)備、器件。
    (2)同相載波信號(hào)跨空氣開(kāi)關(guān)
    當(dāng)出現(xiàn)此種情況時(shí)，可在空氣開(kāi)關(guān)的兩側(cè)接入耦合電感、安規(guī)電容等設(shè)備，從而將傳輸信號(hào)直接耦合到空氣開(kāi)關(guān)等器件另一側(cè)的電力線上，從而保證了物聯(lián)網(wǎng)家電所需的帶寬。
    (3)異相載波信號(hào)不跨空氣開(kāi)關(guān)
    當(dāng)出現(xiàn)此種情況時(shí)，可在異相電力線上接入耦合電感、安規(guī)電容等設(shè)備，從而將一相上傳輸?shù)妮d波信號(hào)耦合到電力線的另一相上；如果異相電力線間隔稍微遠(yuǎn)一些，不適合使用耦合電感或安規(guī)電容，也可以在異相電力線的每一相上安裝帶無(wú)線模塊的載波模塊，通過(guò)無(wú)線將發(fā)送模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K，接收模塊再將數(shù)據(jù)信號(hào)耦合到電力線上，從而滿足了物聯(lián)網(wǎng)家電的帶寬要求。
    (4)異相載波信號(hào)跨空氣開(kāi)關(guān)
    一般空氣開(kāi)關(guān)上接成本較低的耦合電感、安規(guī)電容，異相間如果條件允許也接入成本較低的耦合電感、安規(guī)電容，只有當(dāng)必須接入無(wú)線載波模塊時(shí)，才在電力線上接入無(wú)線載波模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文給出了一種物聯(lián)網(wǎng)寬帶PLC家電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，解決了應(yīng)用中碰到的同相干擾、跨相耦合、自動(dòng)組網(wǎng)等方面的問(wèn)題，從而使寬帶PLC實(shí)際的應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)家電。今后的工作將著重研究更低成本的方案，擴(kuò)大產(chǎn)品應(yīng)用范圍。