TCP/IP與電力線載波通信的綜合應用

中國電子科技集團公司第二十研究所 劉立峰

電力線載波通信技術基于電力線進行通信傳輸，能夠有效延長通信距離。將電力線載波通信技術與TCP/IP網絡協議相結合，并基于STM32最小系統，設計出一種全新的智能監控系統，成功的將TCP/IP技術應用于內存精簡、功耗小的微系統中，突破了傳輸距離以及功能單一的限制。

近些年，我們見證了多種多樣的通信方式，但是電力線載波通信(power line carrier communication，PLC)在民生中的應用還不算廣泛，因為電力線載波通信分為高壓電力線載波傳輸和低壓電力線載波通信傳輸，這其中電力線電壓大于10kv的中高壓電力線傳輸已經研究的很透徹了。本篇文章主要探討220v到380v的的低壓電力線傳輸，另外，低壓電力線更加接近我們的生活，在人們生活的地方以及家庭之中，普遍都是低壓電力線，這樣對于低壓電力線載波我們研究起來意義可能也就更大一些。

TCP/IP協議，是一種將嵌入式微控制器接入internet的鏈接技術，這里的嵌入式微控制器，可以是8位，16位，或者32位的處理芯片，本篇文章主要探討32位的微控制器與Internet的鏈接的原理以及功能的實現。因為雖然電腦的pc端和手機終端可以來達到我們要實現的目的，但是電腦和手機的成本太高，體積過大，不利于我們進行工業化的批量生產。

基于上述問題，本文提出了將電力線載波技術與TCP/IP相結合的方法，并應用于STM32的最小系統，構成一套完善的監控系統，來彌補各自的缺點，實現了TCP/IP與電力線載波通信的綜合應用。

1 電力線載波通信

低壓電力線的輸入阻抗很小，消減了信號的強度，增大了干擾，并且不穩定，并且還會隨時間不斷變化，無法得出一個具體的數學模型。即便是這樣，如果我們采用合理的技術手段，也可以實現電力線載波在實際生活中的應用。

電力線傳導性質的一個重要指標就是輸入阻抗，掌握了輸入阻抗的特性，我們發送的時候會更有效率，可以在很大程度上提升輸入的功率。電力線上的信號頻率對其輸入阻抗有著非常大的作用。

對于數據傳輸時線上的干擾。這種干擾分成兩種情況，其中一種情況是人為干擾，另一種情況是非人為干擾。通常情況下，人為干擾對電力線載波通信的影響要大于非人為干擾。諧波噪聲頻率都還是交流電頻率的整數倍，所以干擾也是周期性的。產生周期性的原因大體上就是用電器會在基波的某個特定相位產生干擾。每個周期都會有兩次巨大的干擾信號，并且這些干擾與交流電源是確定的相位聯系。除此之外，其他的一些大功率用電器，例如電動機，這些用電設備能夠在電網上產生大量的高次諧波。而只有工頻的整數倍頻率才會有這些這些諧波，能量特別大，頻率還會達到幾萬Hz。

電力線載波通信傳輸一定是存在多變性的。體現在兩個方面。首先一點，是隨著時間的推進而改變，即在不同時間干擾的頻率，強弱都不一樣。在一個就是隨著地點的變化而變化，即在不同的電網之間，干擾的效果也不一樣。前者因為負載、線路布局、和電網結構各不相同，這就造成了電網中的參數不一樣，這樣就會對干擾的分布造成影響。

擴頻的通信系統要比正常情況下使用的通信系統擁有更好的抗干擾能力，處理的方法是對兩個信號做乘法，求出它們的均值或者是瞬時值乘完之后的積分。如果兩個信號一模一樣，就會得出最大的相關峰值，由數據檢測器將發射口的信號復原。當傳輸通道中有很多干擾，例如窄帶干擾、單頻干擾等，這些干擾就會和我們要求的信號一起傳進接收機，如圖1a所示。

圖1 擴頻基帶輸出頻率

相關處理時將其削減，即把干擾信號的能量分布到擴頻帶的每個區域，以此來減少干擾電平，就像圖1b中所描繪的?；鶐V波器僅僅輸出基帶信號，所以，輸出的信噪比就得到了完善與提高，像圖中1c所描繪的。

2 TCP/IP網絡傳輸協議

將嵌入式系統和TCP/IP協議有效的結合，uIP協議棧是關健。uIP可以盡可能的減少代碼的編寫量，除此之外，uIP協議棧還會節省非常多的存儲器容量。因為在代碼和RAM的需求這些方面，uIP比別的TCP/IP棧要少很多。

對于其他TCP/IP棧，有時候當數據包丟失的時候，需要重新發送數據信號。用uIP協議棧，就不需再考慮這些問題。因為uIP協議棧的存儲器不用來數據緩存，數據緩存在RAM中，當數據丟失的時候，只需從RAM快速的生成數據，不用再存儲器中緩存靜態內容，因此程序的運行速度就會提升很多。所以，uIP協議棧的好處就是可以讓應用程序參與數據重發的過程。

3 試驗驗證

在電腦的瀏覽器中設置好的ip地址，通過網線，然后經過電力線上面的數據傳輸來進行pc機與嵌入式控制器的信息交換。

通過數據的傳輸也就可以在pc端控制stm32，輸入網址之后，進入如圖2所示頁面，點擊圖中LED0狀態反轉，板子上面的燈亮，如圖3所示。

圖2 瀏覽器界面1

圖3 嵌入式控制器界面

同時瀏覽器變成如圖4所示界面。繼續將LED1狀態反轉，那么界面如圖5所示。

圖4 瀏覽器界面2

圖5 瀏覽器界面3

嵌入式控制器上兩個燈同時亮起，同時瀏覽器界面上顯示嵌入式控制器溫度，所以，智能監控系統便得到證實。

進行進一步試驗，將嵌入式控制器接入400m外電力線網絡，室內pc機中實驗現象得到復現，進一步證明智能監控系統通過引入電力線載波通信大大增加監控距離和范圍。

結束語：本文通過將電力線載波通信技術與TCP/IP網絡協議相結合，并基于STM32最小系統，設計出一種全新的智能監控系統，成功的將TCP/IP技術應用于內存精簡、功耗小的微系統中，突破了傳輸距離以及功能單一的限制。