物联网宽带PLC家电系统设计实现方案

摘要：介绍了宽带PLC应用于物联网家电中的一种方案，同时说明了物联网家电针对PLC通讯的需求特性，并依据需求特性选择了宽带PLC模块所使用的主要器件及功能模块。
关键词：物联网宽带PLC家电；跨相耦合；自动组网；同相干扰

1 物联网宽带PLC家电系统及网络构成
    物联网宽带PLC电力线载波通信家电是将家电本身的一些信息，通过电力线发送到PLC网关，PLC网关再将家电发送的数据信息通过互联网发送到所需要的地方，同时又可以将用户的需求通过互联网发送PLC网关，PLC网关将需求命令数据通过电力线发送给PLC家电，家电按照用户的需求指令进行运行、反馈运行信息等。

    物联网宽带PLC家电系统网络包括感知层、PLC通讯层、网络层、应用层等几部分。其物理构成如图1所示。其中冰箱、热水器等接收用户可以通过手机、PAD、电脑等发送查询、控制命令，同时冰箱、热水器等家电再根据用户的指令信息返同用户需要的数据给手机、PAD、电脑等设备。由于网关及家电都内置PLC模块，故此处的数据传输不再通过无线或网线等传统方式，而是直接采用电力线进行传输并且由于采用了PLC通讯，热水器、空调等家电设备还可以设计成显示板与整机分离，即方便操作，又能给用户带来舒适的体验。

2 电力线载波通信(PLC)物联网家电的特点
    PLC物联网家电异于普通的家电设备，也异于远程抄表系统。由于数据的传输依靠电力线，并且家电设备直接面对用户来进行操作、显示，故要求各个家电设备具有适当的感应、传输速度、较强抗干扰能力、互联互通、自动组网、较高的通讯可靠性、适度的传输距离等。
    适当的感应、传输速度针对不同的家电，传输的数据速度要求往往不同。如一般的热水器、洗衣机、冰箱、空调等不需要传输图像、声音的家电，10 k以内的传输速度足够。而针对物联电视、电脑等视频设备则需要几百k以上的传输速率。
    较强的抗干扰能力一般指在一定的范围内，如果存在多个PLC设备或者电力线上存在和传输频率相同的干扰时，每个设备问能够正常通讯而不被其它影响。
    互联互通(M2M)指物联网家电之间、Internet与物联网家电之间能够互相通讯，传递相关信息，只有这样才能实现“人在外家就在身边、人在家世界就在眼前”。
    自动组网指通过一定的措施，使需要互联互通的家电能够自己选择组成一个网络，且不与不需组网的PLC设备组网。
    较高的通讯可靠性指联网家电必须有效地进行通讯，而不能像远程抄表那样，因为一次通讯成功率低而不得不多次抄读，而物联网家电则要求必须满足人们对操控、欣赏的舒适性要求。
    适度的传输距离指一般互联互通的家电在同一住户内，如果传输距离太远，则用户数量多的时候很容易影响到其他用户，但控制在200 m以内，则不会对其他用户的使用产生太多的影响。

3 物联网宽带PLC家电系统的设计
    基于PLC物联网家电的特点，最核心技术是PLC通讯的技术，本设计实现方案主要从以下几方面来讲述在物联网家电中如何通过PLC通讯实现家电的互联互通。
3．1 物联网PLC家电硬件构成
    物联网家电硬件构成
    本文所指的物联网PLC家电指由普通家电加上PLC通讯模块构成的家电，其硬件构成如图2所示。电视、冰箱等可将PLC通讯模块直接整合在家电的内部，而空洞、热水器等除了将PLC通讯模块整合在整机内之外，还可将操作显示板与整机进行分离，操作显示板内部也嵌入PLC通讯模块，这样就可以实现整机与操作显示板虽然是分离的，但通过PLC通讯仍然能保持显示板与整机的数据交换。

    一般整机内的PLC通讯模块既负责与其对应的显示板进行通讯，也负责与PLC终端网关进行通讯。
    网络交换处理IC负责接收INT6400传来的数据并将数据转化后传给RJ45接口。业务处理IC根据通讯协议解析接收到的数据，并将数据通过SPI接口或UART接口直接传送给家电PCB板上的MCU。同时将家电传来的数据打包后发送给INT6400。具体模块构成框图如图3所示。

3．2 物联网PLC家电通讯关键技术软件实现
    (1)PLC通讯整体介绍
    PLC通讯是指利用专用调制解调技术对信号进行调制，然后把信号加载到电力线中，在接收方通过对加载信号的解调，获取传输数据进行通信的技术。
    目前PLC通讯按通讯的带宽可分为窄带电力线载波通讯、宽带电力线载波通讯：
    由于窄带电力线通讯技术的调制方式、载波频宽限制，导致传输速度、抗同相干扰性等功能并不适合载波家电的需求。
    宽带电力线载波通讯技术一般采用一种多载波调制技术，即正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM)技术。其技术实现为，在频域内将指配的信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的子数据流，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波相互正交，并行传输。其技术特点是传输速度快，理论传输速度可达200 M，抗干扰能力强。所以根据以上的这些特点，宽带PLC通讯技术较适合应用于以电力猫为代表的室内因特网接入、视频监控等对实时性要求较高的领域，同时也适合于物联网家电对通讯速率、抗干扰性等特性的需求。
     (2)如何实现互联互通
    电力线上信号的传输协议采用TCP／IP协议，采用网络密钥认证的机制，不同的家电之间进行信息传输时，只要遵从相同的通讯协议，采用相同的网络密钥即可实现。
    (3)如何实现自动组网
    当有新的设备接入时，通过两种方式将新家电接入：
    第一种方式，在新设备及终端服务设备上都留有有线接口，当将两者通过信号线连接到一起时，新设备自动发送注册指令，终端服务设备接收到注册指令之后，自动将网络密钥、MAC地址、设备协议等信息发送给新设备，之后新设备再与组内设备通讯时，采用终端服务设备发送给其的设备协议进行通讯，从而完成新设备的自动组网。
    第二种方式，按下终端服务设备上的注册按键，终端服务设备只接收注册协议。新设备通电之后，按下注册按键，新设备自动发送注册信息到电力线，同时监控终端服务设备回传的注册确认信息，双方确认注册信息正确之后，即完成自动组网处理。将按键恢复初始状态，两者也采用原有系统的网络密钥进行正常通讯。
3．3 PLC通讯现场实施中问题的解决方案
    (1)同相干扰的解决方案
    当电力线干扰比较严重或者电力线上存在其它PLC设备时，有时会导致对传输信号的干扰，所以在软硬件方面需要采取一定的滤波措施，以滤除线路上的干扰。
    由于INT6400子载波信号传输频率在2～30 MHz之间，属于高频信号，所以硬件采用能够滤除低频信号的滤波电路，使高频信号不衰减。
    在软件方面电力线载波通讯将高频信号采用OFDM技术耦合到电力线，子载波会根据线路的衰减情况，自动选择信号的调制方式，其中包括：QAM、QPSK、BPSK、ROBO等几种方式，从而保证了传输时的抗干扰性，且提供了足够的物联家电使用带宽网。同时同组载波设备采用相同的网络密钥，载波模块检验网络密钥非法时，自动丢弃收到的数据包，而相同时才对数据包进行处理。通信协议中还带有MAC地址，同一组设备中某一设备根据MAC地址判定是否为发给自己的数据，组内设备仅处理发给自己的数据包。
    (2)跨相耦合的解决方案
    通讯数据在电力线传输的过程中，信号在经过某些空气开关等设备之后会有很大的衰减，信息传输不稳定，数字家电的运行稳定性受到严重影响。当信号分属电力线上的A、B、C三相时，往往更是导致3相间的信号无法传输。
    为了解决以上问题，根据现场具体情况进行以下分类处理。
    现场载波模块之间的连接，按照载波信号是否跨相可分为两种，即跨相与不跨相；根据载波信号是否跨空气开关又可分为两种，即跨空气开关与不跨空气开关；故可以实现四种组合方式，即有四种具体硬件实施方案：
    (1)同相载波信号不跨空气开关
    此种情况最为简单，在一般的家庭内，电力线上传输的载波信号即使有衰减也不会太大，故直接将有需要联网的家电接入室内的电力线上即可，无需增加其他耦合设备、器件。
    (2)同相载波信号跨空气开关
    当出现此种情况时，可在空气开关的两侧接入耦合电感、安规电容等设备，从而将传输信号直接耦合到空气开关等器件另一侧的电力线上，从而保证了物联网家电所需的带宽。
    (3)异相载波信号不跨空气开关
    当出现此种情况时，可在异相电力线上接入耦合电感、安规电容等设备，从而将一相上传输的载波信号耦合到电力线的另一相上；如果异相电力线间隔稍微远一些，不适合使用耦合电感或安规电容，也可以在异相电力线的每一相上安装带无线模块的载波模块，通过无线将发送模块发送的数据传输到接收模块，接收模块再将数据信号耦合到电力线上，从而满足了物联网家电的带宽要求。
    (4)异相载波信号跨空气开关
    一般空气开关上接成本较低的耦合电感、安规电容，异相间如果条件允许也接入成本较低的耦合电感、安规电容，只有当必须接入无线载波模块时，才在电力线上接入无线载波模块。

4 结束语
    本文给出了一种物联网宽带PLC家电系统设计实现方案，解决了应用中碰到的同相干扰、跨相耦合、自动组网等方面的问题，从而使宽带PLC实际的应用于物联网家电。今后的工作将着重研究更低成本的方案，扩大产品应用范围。