基于電力線通信的新型物聯網架構

孫友偉，溫雙濤

（西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安710121）

傳統的物聯網絡，主要運用的是無線通信技術，具有網絡部署快速、節點可移動等優點，但是也存在續航能力差、無線干擾等問題。根據近年來對生產、生活中物聯網應用的調查，快速部署、節點可移動等傳統物聯網的優勢已不是很明顯，但是其供電的不可持續性、無線干擾以及無線信號對人體的輻射等缺點卻被放大。利用現有資源、可靠部署、無污染通信，成為了生產以及家用物聯網發展的基本需求。基于電力傳輸線路的物連網絡，就是在現有的電力線網絡中構建物連網絡，使得用電設備能方便地通過電力線接入網絡，從而實現用電設備的互聯互通。

借助電力傳輸線路實現通信，并不是一個新的技術，已經發展了數10年，主要是點到點通信，例如電表數字抄送，路燈控制，電力設備管理和控制［1］，在國外已比較成熟。但是由于國內外電力線網絡的部署結構不同，使用的電壓范圍不同，很多成功的經驗無法直接使用。與此同時，使用低壓電力線網絡構建物連網絡，在國內外，相關的研究都很少見到。

本文擬針對于國內低壓電力線網絡的實際特點，提出一種基于低壓電力線通信的新型物聯網架構，使用ES0191電力通信芯片做出通信節點，優化傳統CSMA／CA協議。文中還將通過對比發送數據和接收數據，來證明新型網絡通信的可靠性。

1 總體結構

基于電力傳輸線路的物聯網，是利用現有的電力傳輸線路，在生活場景和生產場景中，使所有用電的物體接入網絡，從而構建成物聯網絡。網絡由基于電力傳輸線的通信平臺、微處理器控制平臺和感知平臺構成，配以完整的通信協議，使信息有效傳輸到物聯網系統中，從而滿足人們生產、生活的需要。

以生產場景為服務目標的網絡結構如圖1所示［2］，其中包含了生產安全控制、工業生產管理、消防控制、空氣質量探測以及照明控制、門禁系統等。通信平面設計在同一個變壓器范圍之內，以電力傳輸線為物理媒介，利用ES0191電力通信芯片進行頻帶傳輸，提供高可靠、低速率的數據傳送。控制平面設計以微處理器支撐的系統，組織和協調通信平臺以及感知平臺的有序工作。物聯感知平臺將生產場景所需要的與保障安全、提高工作效率、提高生活質量有關的信息采集傳感器聯系在一起，通過服務決策處理機構，有效的提供預期的服務，滿足業務所有需求。

圖1 基于電力傳輸線路的物聯網工業生產場景

2 通信平臺

通信平臺硬件框圖如圖2所示，當進行數據接收時，從電力線上送來的頻帶信號，通過耦合電路、帶通濾波電路、前端小信號放大電路后，經過內部處理交由微處理器進行數據分析和使用；當進行數據發送時，封裝好的數據幀從單片機數據口送出，送至ES0191芯片，經過內部調制后，將頻帶信號輸出至功率放大電路中，然后送到電力線上。

為了實現低速、高可靠的數據傳輸，選用ES0191芯片作為電力通信芯片。該芯片結構簡單，使用擴頻通信方式，傳輸速率500bps，單級傳輸距離1 000m左右，有較強的抗干擾及抗衰減性能。中心頻率為120kHz，帶寬為15kHz。同時使用AT89C2051作為控制平臺，能夠滿足通信的所有需要。

通信平臺硬件原理如圖3所示。在信號發送端的設計中，考慮到電力線信道上的強干擾和強衰落，為了增加傳輸距離和提高接收到的信號質量，設計了功率放大電路。在信號接收端的設計中，為了濾除帶外雜波，設計了5階巴斯沃特帶通濾波電路。為了便于芯片內部判決，必須提高接收信號的幅度，設計了4階前級放大電路。

要發送的數據經過通信芯片內部調制后，從PSKO口輸出120kHz、5V的頻帶信號。考慮到電力線信道不是一個良性信道，有很強的干擾和衰落，所以在發送端加入功率放大電路，使有用信號遠距離傳輸［3］。恰當的選擇功放電路上的電壓，使其獲得恰當的輸出功率。

由于電力線信道上的強干擾，頻帶信號經過信道傳輸后，在接收端會有各種頻率分量的噪聲，所以發送來的信號必須經過濾波電路，濾除噪聲后，才能通過芯片進行解調。根據電力通信的特點，設計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的問題，有效保留頻帶信號。

圖3 通信節點硬件電路總體設計

頻帶信號經過了復雜信道的傳輸，信號衰減已非常嚴重，再通過無源帶通濾波，會使頻帶信號過小而無法被檢測出。為了通信芯片能更好的接收和判斷，在濾波之后設計了小信號放大電路，對信號進行了放大。

規則：每個讀者可搖3次，3次搖完則沒有機會中獎了。或者是每個時間節點：每個讀者可搖一次，如第一個時間節點，只搖3等獎，第二個時間節點搖2等獎，第三個時間節點，搖1等獎(具體規則可靈活變動)。

為了驗證設計出的電路的性能，根據計算結果和設計電路圖，使用Tina pro軟件進行仿真，結果如圖4所示。

在圖4中，當發送端輸出112.5～127.5kHz之間的一個正弦或方波信號，內部調制后，經過功率放大電路進行放大。功放電路中發射電壓（VHH）會直接影響發射功率的大小，隨著發射電壓的增大發射功率也增大，一般發射電壓應選在10V以上，最好在15～18V之間。放大的信號經過耦合，被送入電力線信道上。電力線信道并不是一個良性信道，通過傳輸后，到達接收端的信號不僅含有衰落后的有用信號，還包括各種噪聲，并且這些過大的噪聲會直接淹沒有用信號。對于隨機脈沖噪聲（開關用電設備等產生的噪聲，這種噪聲干擾一般持續時間很短、但幅度很大），可以通過協議的設計來消除。但是對于頻率較為穩定的背景噪聲以及連接在電力線路上的各種電器產生的電磁干擾噪聲［4］，就必須使用帶通濾波器來消除。巴斯沃特濾波器，特別適合于低頻應用，并且通帶內非常平坦，接收到的信號通過后會濾除掉帶外噪聲，有效保留有用信號以及部分通帶內的噪聲。濾波后的信號通過前端小信號放大電路，適當調整負載后，將信號放大到最大狀態，送入到ES0191芯片的ASI口，經過芯片內部的進一步混頻、濾波后，提取出有用信號。

圖4 綜合電路仿真結果

3 通信協議

PSK調制后的頻帶信號如圖5所示。從傳感器采集到的數據到達微處理器，經過內部分析處理之后，將封裝好的幀從單片機數據口送出，到達電力通信芯片的DATA＿IO口（管腳6），同時I／O＿C口（管腳8）置低，使DATA＿IO口成發送信息狀態，單片機數據從DATA＿I／O口進入芯片內部，經過內部調制后通過PSKO口（管腳9）以模擬頻帶信號輸出到功率放大電路中，經過耦合電路后送到電力線上。

從電力線上送來的頻帶信號，通過耦合電路、帶通濾波電路、前端小信號放大電路后，從ASI口（管腳17）進入芯片，經過芯片內部的解調之后，傳輸的數據到達DATA＿IO口，同時I／O＿C口置高，使DATA＿IO變為接收信息狀態，數據從DATA＿IO口進入單片機，經過內部解幀后，提取出有用數據，進行下一步操作。在圖6中，對比了發送／接收數據。通過對比可以看到，除了有延時外，數據被準確無誤的接收。

通信平臺使用的是相移鍵控（PSK）調制方式，即用相位的改變來表示不同的信息。可表示為

其中g（t）表示信號脈沖，fc表示載波頻率，T表示碼元寬度，φ（n）為載波在t＝nT時刻的相位，且

其中θ為初相位，M為載波相位的取值個數。令

則稱Q（t）為正交分量，I（t）為同相分量［5］。要實現變頻，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，這種調制方式是用相位的跳變來表示二進制數據的，不用關心傳輸過程中信號幅度的變化，對噪聲的敏感度最低。在整個實驗的過程當中，可以清楚地測定PSK調制方式在抗噪聲性能上大大優于ASK和FSK，而且信道頻帶利用率較高，目前是應用廣泛的最佳數字載波傳輸方案。

噪聲干擾是影響電力線通信質量的突出問題。為了保證數據接收的可靠性，通行協議設計的好壞非常重要［6］。前輩科學家們，為有線局域網絡提出了CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detect）協議，為無線局域網絡提出了CSMA／CA （Carrier Sense Multiple Access／Collision Anoidance）協議。在低壓電力線信道中，開關用電設備等產生的隨機脈沖噪聲、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生的電磁干擾噪聲，對載波通信數據影響較大［7］。CSMA／CA協議是為無線網絡設計的，無線網絡上的噪聲特性與低壓電力線網絡的突發性脈沖噪聲環境相似，并且CSMA／CA協議采用RTS－CTS握手機制，能夠避免“隱藏節點”的問題，也不需要進行沖突檢測。但是在實驗過程中發現，CSMA／CA協議對于傳輸速率低的PLC網絡，其RTS－CTS機制過于復雜，給網絡增加了額外的開銷，特別對于短幀傳輸，這種開銷的比重顯得更大。所以，優化了CSMA／CA協議中的幀結構。

ACK確認幀設計為：幀標示位（判斷幀的類似）、目的地址、源地址和幀序列號（數據幀和確認幀應一一對應）。見圖7（a）。

（2）增加報警提示幀。如果重傳次數溢出，將發出報警幀。同時報警幀加入目的地址和源地址，用來告訴應該是哪條鏈路上出了問題，其他節點可以繞行。

報警幀設計為：幀標示位，目的地址位，源地址位。見圖7（b）。

（3）在數據幀的設計上，主要考慮到所設計的網絡為小型的局域網絡具有節點少、速率低，但是信道差、數據可靠性要求高的特點，在數據幀結構的設計和協議的設計上，一方面要減少各類控制信息，以增大傳輸效率；另一方面，要對數據做好糾錯檢錯，以達到可靠性的要求。見圖7（c）。

圖7 通信協議中幀的類型

圖7 中的HEADER位作為幀標示位，主要用來區分接收到的幀是數據幀、確認幀還是報警幀，用4bit，共有14（去掉全0和全1）種標示位，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）個結點，滿足項目的網絡設計要求。FN位作為幀序列號位，分配了8bit，一次性最多可連續傳輸254（去掉全0和全1）個數據幀和與數據幀一一對應的ACK確認幀，在低速的物聯網絡中，是完全夠用的。

DATA位作為數據位。根據研究成果［8］，干擾脈沖的到達率φ最小為0.1ms－1，最大為10ms－1。而當0.1＜φ＜1時，可算出最佳幀長不大于400bit。對應到所設計的數據幀中，N的取值不大于44。但在本項目設計之初所提出方案，就是建一個低速率的物聯網絡。在網絡中傳送的是各類傳感器采集到的數據信息和各類控制信號，同時通信芯片最大傳輸速率為500bps。所以目前在網絡中不會出現圖片、視頻等大數據量信息。考慮到目前常用傳感器的精度以及所設計的物聯網絡數據傳輸的實際情況，N取值在6～10合適。

FCS為幀校驗位，可使用CRC－16校驗碼。

協議設計中，使用“信道監聽－數據發送－接收ACK確認”流程，可減少第一次的“握手”，在保證可靠傳輸的前提下適當降低協議的復雜度［9］。

算法如下。

（1）閑暇時都將各個節點設置為接收狀態，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）發送數據時，發送節點的ASI端口開始監聽信道，若信道上無信息傳輸，則退后隨機時間t，不然跳到（3）。等到退避時間到，繼續檢査信道是否空閑，如果空閑，立即發送數據幀，并等待接收ACK確認幀，跳到（4），否則跳到（2）。

（3）如果檢查到信道忙，隨機退避數T，則跳到（2）。

（4）如果在指定的時間內，發送端未收到ACK確認幀，跳到（1），再次傳輸，在同一時間計數器加1。

（5）如果在指定時間內，發送端收到了確認幀，則說明發送成功，可進行下一幀傳輸。

（6）如果計數器加滿，表示重傳次數溢出，則停止本次通信，同時報警提示目前該段信道惡劣，請擇機重傳。

4 結語

基于電力傳輸線的下一代物聯網絡，是一種新型的物聯接入方式，同時也是一種實用、綠色的通信方式，在生活和生產中都將會發揮出巨大作用。所開發的硬件電路平臺，用到的通信協議，都是針對于這種新型物聯網而專門設計的，經過實際布網驗測，完全滿足通信的要求。在下一步的工作中，將繼續完善通信平臺和控制平臺，并對物連感知平臺做進一步研究。

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［6］Sun Youwei，Chen Rong.Wireless Sensors Network and the Ethernet Frame Format Transformation［C］／／2nd World Congress on Computer Science and Information Engineering（CSIE 2011）.China Changchun：Advances in Intelligent and Soft Computing（AISC），2011：479－485.

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