孫友偉，溫雙濤

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710121）

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，主要運(yùn)用的是無線通信技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)部署快速、節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)生產(chǎn)、生活中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的調(diào)查，快速部署、節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)等傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)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(hào)對(duì)人體的輻射等缺點(diǎn)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(luò)，就是在現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建物連網(wǎng)絡(luò)，使得用電設(shè)備能方便地通過電力線接入網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的互聯(lián)互通。

借助電力傳輸線路實(shí)現(xiàn)通信，并不是一個(gè)新的技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展了數(shù)10年，主要是點(diǎn)到點(diǎn)通信，例如電表數(shù)字抄送，路燈控制，電力設(shè)備管理和控制［1］，在國(guó)外已比較成熟。但是由于國(guó)內(nèi)外電力線網(wǎng)絡(luò)的部署結(jié)構(gòu)不同，使用的電壓范圍不同，很多成功的經(jīng)驗(yàn)無法直接使用。與此同時(shí)，使用低壓電力線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建物連網(wǎng)絡(luò)，在國(guó)內(nèi)外，相關(guān)的研究都很少見到。

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

1 總體結(jié)構(gòu)

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(chǎng)景和生產(chǎn)場(chǎng)景中，使所有用電的物體接入網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建成物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)由基于電力傳輸線的通信平臺(tái)、微處理器控制平臺(tái)和感知平臺(tái)構(gòu)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(chǎng)景為服務(wù)目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(zhì)量探測(cè)以及照明控制、門禁系統(tǒng)等。通信平面設(shè)計(jì)在同一個(gè)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(jìn)行頻帶傳輸，提供高可靠、低速率的數(shù)據(jù)傳送?？刂破矫嬖O(shè)計(jì)以微處理器支撐的系統(tǒng)，組織和協(xié)調(diào)通信平臺(tái)以及感知平臺(tái)的有序工作。物聯(lián)感知平臺(tái)將生產(chǎn)場(chǎng)景所需要的與保障安全、提高工作效率、提高生活質(zhì)量有關(guān)的信息采集傳感器聯(lián)系在一起，通過服務(wù)決策處理機(jī)構(gòu)，有效的提供預(yù)期的服務(wù)，滿足業(yè)務(wù)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(chǎng)景

2 通信平臺(tái)

通信平臺(tái)硬件框圖如圖2所示，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，從電力線上送來的頻帶信號(hào)，通過耦合電路、帶通濾波電路、前端小信號(hào)放大電路后，經(jīng)過內(nèi)部處理交由微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和使用；當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，封裝好的數(shù)據(jù)幀從單片機(jī)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(hào)輸出至功率放大電路中，然后送到電力線上。

為了實(shí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用擴(kuò)頻通信方式，傳輸速率500bps，單級(jí)傳輸距離1 000m左右，有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能。中心頻率為120kHz，帶寬為15kHz。同時(shí)使用AT89C2051作為控制平臺(tái)，能夠滿足通信的所有需要。

通信平臺(tái)硬件原理如圖3所示。在信號(hào)發(fā)送端的設(shè)計(jì)中，考慮到電力線信道上的強(qiáng)干擾和強(qiáng)衰落，為了增加傳輸距離和提高接收到的信號(hào)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了功率放大電路。在信號(hào)接收端的設(shè)計(jì)中，為了濾除帶外雜波，設(shè)計(jì)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(hào)的幅度，設(shè)計(jì)了4階前級(jí)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(hào)?？紤]到電力線信道不是一個(gè)良性信道，有很強(qiáng)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(hào)遠(yuǎn)距離傳輸［3］。恰當(dāng)?shù)倪x擇功放電路上的電壓，使其獲得恰當(dāng)?shù)妮敵龉β省?/p>

由于電力線信道上的強(qiáng)干擾，頻帶信號(hào)經(jīng)過信道傳輸后，在接收端會(huì)有各種頻率分量的噪聲，所以發(fā)送來的信號(hào)必須經(jīng)過濾波電路，濾除噪聲后，才能通過芯片進(jìn)行解調(diào)。根據(jù)電力通信的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(diǎn)的問題，有效保留頻帶信號(hào)。

圖3 通信節(jié)點(diǎn)硬件電路總體設(shè)計(jì)

頻帶信號(hào)經(jīng)過了復(fù)雜信道的傳輸，信號(hào)衰減已非常嚴(yán)重，再通過無源帶通濾波，會(huì)使頻帶信號(hào)過小而無法被檢測(cè)出。為了通信芯片能更好的接收和判斷，在濾波之后設(shè)計(jì)了小信號(hào)放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大。

規(guī)則：每個(gè)讀者可搖3次，3次搖完則沒有機(jī)會(huì)中獎(jiǎng)了。或者是每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)：每個(gè)讀者可搖一次，如第一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，只搖3等獎(jiǎng)，第二個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)搖2等獎(jiǎng)，第三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，搖1等獎(jiǎng)(具體規(guī)則可靈活變動(dòng))。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)出的電路的性能，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)電路圖，使用Tina pro軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

在圖4中，當(dāng)發(fā)送端輸出112.5～127.5kHz之間的一個(gè)正弦或方波信號(hào)，內(nèi)部調(diào)制后，經(jīng)過功率放大電路進(jìn)行放大。功放電路中發(fā)射電壓（VHH）會(huì)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(yīng)選在10V以上，最好在15～18V之間。放大的信號(hào)經(jīng)過耦合，被送入電力線信道上。電力線信道并不是一個(gè)良性信道，通過傳輸后，到達(dá)接收端的信號(hào)不僅含有衰落后的有用信號(hào)，還包括各種噪聲，并且這些過大的噪聲會(huì)直接淹沒有用信號(hào)。對(duì)于隨機(jī)脈沖噪聲（開關(guān)用電設(shè)備等產(chǎn)生的噪聲，這種噪聲干擾一般持續(xù)時(shí)間很短、但幅度很大），可以通過協(xié)議的設(shè)計(jì)來消除。但是對(duì)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(yīng)用，并且通帶內(nèi)非常平坦，接收到的信號(hào)通過后會(huì)濾除掉帶外噪聲，有效保留有用信號(hào)以及部分通帶內(nèi)的噪聲。濾波后的信號(hào)通過前端小信號(hào)放大電路，適當(dāng)調(diào)整負(fù)載后，將信號(hào)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(jìn)一步混頻、濾波后，提取出有用信號(hào)。

圖4 綜合電路仿真結(jié)果

3 通信協(xié)議

PSK調(diào)制后的頻帶信號(hào)如圖5所示。從傳感器采集到的數(shù)據(jù)到達(dá)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(jī)數(shù)據(jù)口送出，到達(dá)電力通信芯片的DATA＿IO口（管腳6），同時(shí)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(jī)數(shù)據(jù)從DATA＿I／O口進(jìn)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(hào)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(hào)，通過耦合電路、帶通濾波電路、前端小信號(hào)放大電路后，從ASI口（管腳17）進(jìn)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(dá)DATA＿IO口，同時(shí)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(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過內(nèi)部解幀后，提取出有用數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步操作。在圖6中，對(duì)比了發(fā)送／接收數(shù)據(jù)。通過對(duì)比可以看到，除了有延時(shí)外，數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確無誤的接收。

通信平臺(tái)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?？杀硎緸?/p>

其中g(shù)（t）表示信號(hào)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(shí)刻的相位，且

其中θ為初相位，M為載波相位的取值個(gè)數(shù)。令

則稱Q（t）為正交分量，I（t）為同相分量［5］。要實(shí)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(jìn)制數(shù)據(jù)的，不用關(guān)心傳輸過程中信號(hào)幅度的變化，對(duì)噪聲的敏感度最低。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，可以清楚地測(cè)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(yīng)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(zhì)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(shè)計(jì)的好壞非常重要［6］。前輩科學(xué)家們，為有線局域網(wǎng)絡(luò)提出了CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detect）協(xié)議，為無線局域網(wǎng)絡(luò)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(guān)用電設(shè)備等產(chǎn)生的隨機(jī)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(duì)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(luò)設(shè)計(jì)的，無線網(wǎng)絡(luò)上的噪聲特性與低壓電力線網(wǎng)絡(luò)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(jī)制，能夠避免“隱藏節(jié)點(diǎn)”的問題，也不需要進(jìn)行沖突檢測(cè)。但是在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，CSMA／CA協(xié)議對(duì)于傳輸速率低的PLC網(wǎng)絡(luò)，其RTS－CTS機(jī)制過于復(fù)雜，給網(wǎng)絡(luò)增加了額外的開銷，特別對(duì)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(jié)構(gòu)。

ACK確認(rèn)幀設(shè)計(jì)為：幀標(biāo)示位（判斷幀的類似）、目的地址、源地址和幀序列號(hào)（數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀應(yīng)一一對(duì)應(yīng)）。見圖7（a）。

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

報(bào)警幀設(shè)計(jì)為：幀標(biāo)示位，目的地址位，源地址位。見圖7（b）。

（3）在數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)上，主要考慮到所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)為小型的局域網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)少、速率低，但是信道差、數(shù)據(jù)可靠性要求高的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和協(xié)議的設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)做好糾錯(cuò)檢錯(cuò)，以達(dá)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(biāo)示位，主要用來區(qū)分接收到的幀是數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀還是報(bào)警幀，用4bit，共有14（去掉全0和全1）種標(biāo)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(gè)結(jié)點(diǎn)，滿足項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求。FN位作為幀序列號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)幀和與數(shù)據(jù)幀一一對(duì)應(yīng)的ACK確認(rèn)幀，在低速的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(dá)率φ最小為0.1ms－1，最大為10ms－1。而當(dāng)0.1＜φ＜1時(shí)，可算出最佳幀長(zhǎng)不大于400bit。對(duì)應(yīng)到所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀中，N的取值不大于44。但在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初所提出方案，就是建一個(gè)低速率的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)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(hào)，同時(shí)通信芯片最大傳輸速率為500bps。所以目前在網(wǎng)絡(luò)中不會(huì)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(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際情況，N取值在6～10合適。

FCS為幀校驗(yàn)位，可使用CRC－16校驗(yàn)碼。

協(xié)議設(shè)計(jì)中，使用“信道監(jiān)聽－數(shù)據(jù)發(fā)送－接收ACK確認(rèn)”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(dāng)降低協(xié)議的復(fù)雜度［9］。

算法如下。

（1）閑暇時(shí)都將各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)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(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(jī)時(shí)間t，不然跳到（3）。等到退避時(shí)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(rèn)幀，跳到（4），否則跳到（2）。

（3）如果檢查到信道忙，隨機(jī)退避數(shù)T，則跳到（2）。

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

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

（6）如果計(jì)數(shù)器加滿，表示重傳次數(shù)溢出，則停止本次通信，同時(shí)報(bào)警提示目前該段信道惡劣，請(qǐng)擇機(jī)重傳。

4 結(jié)語

基于電力傳輸線的下一代物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是一種新型的物聯(lián)接入方式，同時(shí)也是一種實(shí)用、綠色的通信方式，在生活和生產(chǎn)中都將會(huì)發(fā)揮出巨大作用。所開發(fā)的硬件電路平臺(tái)，用到的通信協(xié)議，都是針對(duì)于這種新型物聯(lián)網(wǎng)而專門設(shè)計(jì)的，經(jīng)過實(shí)際布網(wǎng)驗(yàn)測(cè)，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(tái)和控制平臺(tái)，并對(duì)物連感知平臺(tái)做進(jìn)一步研究。

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