利用電力載波通訊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸?shù)姆椒?/h1>
2014-11-15 02:51陳讓朱
電子測試 2014年16期
陳讓朱
（海南電力通信自動(dòng)化有限公司，海南?？?，570203）
0 引言
目前全球覆蓋面家最大、最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)資源是電力網(wǎng)，終端主要是一些家用電器如空調(diào)、電視、電梯以及電燈等，這些終端都可以通過電力載波技術(shù)納入到互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的通信以及控制過程，電力網(wǎng)非常大的優(yōu)勢，電力載波通訊是建立在現(xiàn)有電力網(wǎng)上的一項(xiàng)技術(shù)，為更好的說明利用電力載波通訊是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸，本文先介紹電力載波通訊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸需要解決的問題。
1 電力載波通訊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳輸需要解決的問題
物聯(lián)網(wǎng)的含義有兩種，一種是指互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)成的物體間網(wǎng)絡(luò)，另一種含義是指信息交換和通訊延伸到任何物品和物品之間，目前物聯(lián)網(wǎng)已被廣泛應(yīng)用到射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器以及激光掃描器等傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位以及監(jiān)控和管理等。電力載波（簡稱PLC）是一種利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥馔ㄓ嵎绞?，由于方式比較特殊，可以滿足很多的特殊要求，覆蓋面是任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。
電力載波在使用時(shí)還需要解決很多的問題，首先電力線的根本目的是為了傳輸電能，其作為高速通信的介質(zhì)作用僅僅是一個(gè)附帶，因此電系系統(tǒng)的一般基礎(chǔ)設(shè)備并不具備高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的功能，另外用電設(shè)備本身所產(chǎn)生的電磁波也會(huì)對(duì)通訊產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，在傳輸方面電力線還存在噪音大以及安全性能低的特點(diǎn)。
2 電力載波通訊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)研究
2.1 設(shè)計(jì)原理
在前文講到電力線道噪音大，容易受到干擾，因此要解決這些問題，需要有相應(yīng)的調(diào)制技術(shù)以及一些編碼技術(shù)，本文采用正交頻分復(fù)用技術(shù)來解決這些問題。主要思想是將通信信道分解為若干個(gè)正交子信道，高速傳輸信號(hào)通過這些子信道進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道的帶寬很小，因此可以看作為平坦性衰落，進(jìn)而消除掉符號(hào)之間產(chǎn)生的干擾。在HomePlug1.0標(biāo)準(zhǔn)中，載波頻率為4.5MHz～21MHz，在這個(gè)范圍內(nèi)，某個(gè)頻段受到干擾，只會(huì)影響子信道，因此在復(fù)雜的電力線下，能夠相對(duì)保持傳輸信息的穩(wěn)定性，PowerPacket技術(shù)室它的改進(jìn)版，其格式如下圖1所示。前導(dǎo)碼為56位的“0”、“1”相間的數(shù)字序列，定界符規(guī)定為D5H，CRC循環(huán)亢余檢驗(yàn)碼為4B。
圖1 PowerPacke的數(shù)據(jù)幀格式
在電力載波系統(tǒng)中可同時(shí)接入多個(gè)設(shè)備，為減小碰撞檢驗(yàn)，本文選用選用有效性更強(qiáng)的CSMA/CA協(xié)議。為保證網(wǎng)絡(luò)安全，采用素具加密標(biāo)準(zhǔn)家機(jī)制，是保密性更加可靠。
2.2 硬件構(gòu)架
電力載波通訊原理圖如下圖2所示，電力線調(diào)制調(diào)節(jié)器硬件結(jié)構(gòu)包括INT5500、INT1200以及接收濾波器等，其中INT5500是InTellen公司研發(fā)的高速電力線IC，遵循HomePlug1.0標(biāo)準(zhǔn)，可以提供85Mbps的數(shù)據(jù)寬帶，啟動(dòng)時(shí)依靠FLASH軟件進(jìn)行讀取，其接口設(shè)置分為MAC和PHY兩種模式。INT1200是高速電力線模擬前端，在其內(nèi)部有一個(gè)10bit的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和8bit的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其頻率分別是50MSPS和100MSPS，傳輸部位包括一個(gè)TX輸入端口，在接收端則包含一個(gè)可編程增益控制器，范圍在-6dB～30dB，每2dB為一步。
圖2 電力載波通訊原理圖
接收濾波器頻率范圍在4MHz和22MHz之間，部分由LC電路組成，包括低通濾波器以及軌至軌的線驅(qū)動(dòng)放大器。INT5500的PLL式中倍頻電路內(nèi)部滿足射中時(shí)鐘設(shè)計(jì)要求，在電路調(diào)試過程中，需要將基本電路和濾波電路分開進(jìn)行提哦啊之，另外由于設(shè)備功率比較大，因此調(diào)試時(shí)需要配置一二個(gè)小型散熱器。
2.3 基于電力載波的物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
電力波通訊系統(tǒng)流程圖如下圖3所示，基于電力載波的物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)構(gòu)架主要包括網(wǎng)絡(luò)層、感知層以及應(yīng)用層。其中感知層包括了通信延伸子層和干事控制子層，在設(shè)計(jì)中，它的實(shí)現(xiàn)主要通過新型MEMS傳感器、智能采集設(shè)備以及基于嵌入式系統(tǒng)的智能傳感器等技術(shù)手段，作用用來采集智能電網(wǎng)個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)有關(guān)電量、環(huán)境狀態(tài)以及機(jī)械狀態(tài)等信息。其網(wǎng)絡(luò)層的目的是實(shí)現(xiàn)信息的路由、傳遞以及控制等，其中還包括了接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，由于只恩呢該電網(wǎng)的應(yīng)用是建立在數(shù)據(jù)安全、傳送可靠以及消息及時(shí)的基礎(chǔ)上，因此它的實(shí)現(xiàn)主要依托電力通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，若是沒有這些特殊的條件，也可以通過公眾電信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用層主要包括基礎(chǔ)設(shè)施以及中間件等的應(yīng)用，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施的功能主要是為物聯(lián)網(wǎng)提供信息初一以及計(jì)算等通用服務(wù)設(shè)施，同時(shí)還具有提供資源調(diào)用功能。
由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)以一種開放式的網(wǎng)絡(luò)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意它的安全性。對(duì)于邏輯網(wǎng)絡(luò)采用兩個(gè)及以上的設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)加密至，實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸，網(wǎng)絡(luò)密碼和網(wǎng)絡(luò)加密值設(shè)定為用戶設(shè)置，其中網(wǎng)絡(luò)加密值用MD5算法生成，形成不同邏輯網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于缺省加密值，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)隨機(jī)函數(shù)，生成16個(gè)字符，進(jìn)而生成一個(gè)NEK，此數(shù)值用戶本身不能進(jìn)行更改，但是用戶可以通過一些軟件工具發(fā)送MAC管理信息，來更改NEK碼，，其更該方法可以設(shè)定為兩種。對(duì)于本地修改而言，用戶在計(jì)算機(jī)上使用DM客戶軟件來設(shè)置NEK碼，僅僅在本地計(jì)算機(jī)和店里線調(diào)制解調(diào)器之間的網(wǎng)線上傳輸，用戶端連續(xù)發(fā)送兩條MME信息，皆可以實(shí)現(xiàn)NEK碼的加密。對(duì)于遠(yuǎn)端的NEK碼的加密，只需要把計(jì)算機(jī)與設(shè)備相連就能通過簡單的步驟實(shí)現(xiàn)加密。
圖3 電力波通訊系統(tǒng)流程圖
2.4 基于電力載波的物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用
在基于電力載波的物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，需要將主干網(wǎng)絡(luò)與各個(gè)傳感器如RFID電子標(biāo)簽識(shí)別、紅外感應(yīng)器以及全球定位系統(tǒng)聯(lián)系在一起，傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)再把信息傳送到服務(wù)器中，對(duì)于空間建構(gòu)比較復(fù)雜的場合，為減輕對(duì)人體的傷害，這種設(shè)計(jì)方法是最為實(shí)用的方式。如在能源管理方面，環(huán)保宣傳并不能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源以及環(huán)境保護(hù)的目的，而傳統(tǒng)無線傳輸又會(huì)遇到一些障礙物，如墻壁等，電力載波通訊就能好好的解決這些問題。由如對(duì)于家庭的一些智能控制，利用家庭現(xiàn)有的設(shè)備達(dá)到互聯(lián)互動(dòng)，為家庭安防提供保障。對(duì)于一些特殊場所，如博物館等，由于歷史長遠(yuǎn)線路比較復(fù)雜，但是單獨(dú)采用線路鋪設(shè)，就可能造成古跡的破壞，而電力載波通訊就能好好的解決這些問題，達(dá)到節(jié)能、減輕傷害的目的。
3 結(jié)束語
綜上所述，本文先簡單介紹了電力載波通訊與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系，說明實(shí)現(xiàn)電子載波在物聯(lián)網(wǎng)上需要解決的問題，重點(diǎn)講述基于電力載波通訊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)研究。隨著科技的不斷進(jìn)步，電力載波通訊在物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸中精會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在應(yīng)用設(shè)計(jì)中也會(huì)遇到其他的一些新興問題，這些問題仍然需要更多的人去研究。
[1]唐麗芳.基于電力載波通訊的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電信科技,2012,21(1):76-78,84.
[2]李明穎,柴玉華,王樹文等.電力遠(yuǎn)程抄表中集中器的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2011,30(4):38-42.
[3]林建宇,黃釗洪.基于電力線載波技術(shù)的遠(yuǎn)程電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2005,15(31):25—2 7.
[4]田衛(wèi)華,王占元,姜凌等.基于FSK-KQ100模塊的低壓電力載波通訊電路設(shè)計(jì)[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2006,2(1):44-46.
[5]馬樂,燕煒,姜思羽等.基于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2013,49(5):458-461.
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陳讓朱
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1 電力載波通訊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳輸需要解決的問題
物聯(lián)網(wǎng)的含義有兩種，一種是指互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)成的物體間網(wǎng)絡(luò)，另一種含義是指信息交換和通訊延伸到任何物品和物品之間，目前物聯(lián)網(wǎng)已被廣泛應(yīng)用到射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器以及激光掃描器等傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位以及監(jiān)控和管理等。電力載波（簡稱PLC）是一種利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥馔ㄓ嵎绞?，由于方式比較特殊，可以滿足很多的特殊要求，覆蓋面是任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。
電力載波在使用時(shí)還需要解決很多的問題，首先電力線的根本目的是為了傳輸電能，其作為高速通信的介質(zhì)作用僅僅是一個(gè)附帶，因此電系系統(tǒng)的一般基礎(chǔ)設(shè)備并不具備高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的功能，另外用電設(shè)備本身所產(chǎn)生的電磁波也會(huì)對(duì)通訊產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，在傳輸方面電力線還存在噪音大以及安全性能低的特點(diǎn)。
2 電力載波通訊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)研究
2.1 設(shè)計(jì)原理
在前文講到電力線道噪音大，容易受到干擾，因此要解決這些問題，需要有相應(yīng)的調(diào)制技術(shù)以及一些編碼技術(shù)，本文采用正交頻分復(fù)用技術(shù)來解決這些問題。主要思想是將通信信道分解為若干個(gè)正交子信道，高速傳輸信號(hào)通過這些子信道進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道的帶寬很小，因此可以看作為平坦性衰落，進(jìn)而消除掉符號(hào)之間產(chǎn)生的干擾。在HomePlug1.0標(biāo)準(zhǔn)中，載波頻率為4.5MHz～21MHz，在這個(gè)范圍內(nèi)，某個(gè)頻段受到干擾，只會(huì)影響子信道，因此在復(fù)雜的電力線下，能夠相對(duì)保持傳輸信息的穩(wěn)定性，PowerPacket技術(shù)室它的改進(jìn)版，其格式如下圖1所示。前導(dǎo)碼為56位的“0”、“1”相間的數(shù)字序列，定界符規(guī)定為D5H，CRC循環(huán)亢余檢驗(yàn)碼為4B。
圖1 PowerPacke的數(shù)據(jù)幀格式
在電力載波系統(tǒng)中可同時(shí)接入多個(gè)設(shè)備，為減小碰撞檢驗(yàn)，本文選用選用有效性更強(qiáng)的CSMA/CA協(xié)議。為保證網(wǎng)絡(luò)安全，采用素具加密標(biāo)準(zhǔn)家機(jī)制，是保密性更加可靠。
2.2 硬件構(gòu)架
電力載波通訊原理圖如下圖2所示，電力線調(diào)制調(diào)節(jié)器硬件結(jié)構(gòu)包括INT5500、INT1200以及接收濾波器等，其中INT5500是InTellen公司研發(fā)的高速電力線IC，遵循HomePlug1.0標(biāo)準(zhǔn)，可以提供85Mbps的數(shù)據(jù)寬帶，啟動(dòng)時(shí)依靠FLASH軟件進(jìn)行讀取，其接口設(shè)置分為MAC和PHY兩種模式。INT1200是高速電力線模擬前端，在其內(nèi)部有一個(gè)10bit的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和8bit的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其頻率分別是50MSPS和100MSPS，傳輸部位包括一個(gè)TX輸入端口，在接收端則包含一個(gè)可編程增益控制器，范圍在-6dB～30dB，每2dB為一步。
圖2 電力載波通訊原理圖
接收濾波器頻率范圍在4MHz和22MHz之間，部分由LC電路組成，包括低通濾波器以及軌至軌的線驅(qū)動(dòng)放大器。INT5500的PLL式中倍頻電路內(nèi)部滿足射中時(shí)鐘設(shè)計(jì)要求，在電路調(diào)試過程中，需要將基本電路和濾波電路分開進(jìn)行提哦啊之，另外由于設(shè)備功率比較大，因此調(diào)試時(shí)需要配置一二個(gè)小型散熱器。
2.3 基于電力載波的物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
電力波通訊系統(tǒng)流程圖如下圖3所示，基于電力載波的物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)構(gòu)架主要包括網(wǎng)絡(luò)層、感知層以及應(yīng)用層。其中感知層包括了通信延伸子層和干事控制子層，在設(shè)計(jì)中，它的實(shí)現(xiàn)主要通過新型MEMS傳感器、智能采集設(shè)備以及基于嵌入式系統(tǒng)的智能傳感器等技術(shù)手段，作用用來采集智能電網(wǎng)個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)有關(guān)電量、環(huán)境狀態(tài)以及機(jī)械狀態(tài)等信息。其網(wǎng)絡(luò)層的目的是實(shí)現(xiàn)信息的路由、傳遞以及控制等，其中還包括了接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，由于只恩呢該電網(wǎng)的應(yīng)用是建立在數(shù)據(jù)安全、傳送可靠以及消息及時(shí)的基礎(chǔ)上，因此它的實(shí)現(xiàn)主要依托電力通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，若是沒有這些特殊的條件，也可以通過公眾電信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用層主要包括基礎(chǔ)設(shè)施以及中間件等的應(yīng)用，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施的功能主要是為物聯(lián)網(wǎng)提供信息初一以及計(jì)算等通用服務(wù)設(shè)施，同時(shí)還具有提供資源調(diào)用功能。
由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)以一種開放式的網(wǎng)絡(luò)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意它的安全性。對(duì)于邏輯網(wǎng)絡(luò)采用兩個(gè)及以上的設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)加密至，實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸，網(wǎng)絡(luò)密碼和網(wǎng)絡(luò)加密值設(shè)定為用戶設(shè)置，其中網(wǎng)絡(luò)加密值用MD5算法生成，形成不同邏輯網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于缺省加密值，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)隨機(jī)函數(shù)，生成16個(gè)字符，進(jìn)而生成一個(gè)NEK，此數(shù)值用戶本身不能進(jìn)行更改，但是用戶可以通過一些軟件工具發(fā)送MAC管理信息，來更改NEK碼，，其更該方法可以設(shè)定為兩種。對(duì)于本地修改而言，用戶在計(jì)算機(jī)上使用DM客戶軟件來設(shè)置NEK碼，僅僅在本地計(jì)算機(jī)和店里線調(diào)制解調(diào)器之間的網(wǎng)線上傳輸，用戶端連續(xù)發(fā)送兩條MME信息，皆可以實(shí)現(xiàn)NEK碼的加密。對(duì)于遠(yuǎn)端的NEK碼的加密，只需要把計(jì)算機(jī)與設(shè)備相連就能通過簡單的步驟實(shí)現(xiàn)加密。
圖3 電力波通訊系統(tǒng)流程圖
2.4 基于電力載波的物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用
在基于電力載波的物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，需要將主干網(wǎng)絡(luò)與各個(gè)傳感器如RFID電子標(biāo)簽識(shí)別、紅外感應(yīng)器以及全球定位系統(tǒng)聯(lián)系在一起，傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)再把信息傳送到服務(wù)器中，對(duì)于空間建構(gòu)比較復(fù)雜的場合，為減輕對(duì)人體的傷害，這種設(shè)計(jì)方法是最為實(shí)用的方式。如在能源管理方面，環(huán)保宣傳并不能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源以及環(huán)境保護(hù)的目的，而傳統(tǒng)無線傳輸又會(huì)遇到一些障礙物，如墻壁等，電力載波通訊就能好好的解決這些問題。由如對(duì)于家庭的一些智能控制，利用家庭現(xiàn)有的設(shè)備達(dá)到互聯(lián)互動(dòng)，為家庭安防提供保障。對(duì)于一些特殊場所，如博物館等，由于歷史長遠(yuǎn)線路比較復(fù)雜，但是單獨(dú)采用線路鋪設(shè)，就可能造成古跡的破壞，而電力載波通訊就能好好的解決這些問題，達(dá)到節(jié)能、減輕傷害的目的。
3 結(jié)束語
綜上所述，本文先簡單介紹了電力載波通訊與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系，說明實(shí)現(xiàn)電子載波在物聯(lián)網(wǎng)上需要解決的問題，重點(diǎn)講述基于電力載波通訊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)研究。隨著科技的不斷進(jìn)步，電力載波通訊在物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸中精會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在應(yīng)用設(shè)計(jì)中也會(huì)遇到其他的一些新興問題，這些問題仍然需要更多的人去研究。
[1]唐麗芳.基于電力載波通訊的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電信科技,2012,21(1):76-78,84.
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