基于电力线通信的新型物联网架构

孙友伟，温双涛

（西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安710121）

传统的物联网络，主要运用的是无线通信技术，具有网络部署快速、节点可移动等优点，但是也存在续航能力差、无线干扰等问题。根据近年来对生产、生活中物联网应用的调查，快速部署、节点可移动等传统物联网的优势已不是很明显，但是其供电的不可持续性、无线干扰以及无线信号对人体的辐射等缺点却被放大。利用现有资源、可靠部署、无污染通信，成为了生产以及家用物联网发展的基本需求。基于电力传输线路的物连网络，就是在现有的电力线网络中构建物连网络，使得用电设备能方便地通过电力线接入网络，从而实现用电设备的互联互通。

借助电力传输线路实现通信，并不是一个新的技术，已经发展了数10年，主要是点到点通信，例如电表数字抄送，路灯控制，电力设备管理和控制［1］，在国外已比较成熟。但是由于国内外电力线网络的部署结构不同，使用的电压范围不同，很多成功的经验无法直接使用。与此同时，使用低压电力线网络构建物连网络，在国内外，相关的研究都很少见到。

本文拟针对于国内低压电力线网络的实际特点，提出一种基于低压电力线通信的新型物联网架构，使用ES0191电力通信芯片做出通信节点，优化传统CSMA／CA协议。文中还将通过对比发送数据和接收数据，来证明新型网络通信的可靠性。

1 总体结构

基于电力传输线路的物联网，是利用现有的电力传输线路，在生活场景和生产场景中，使所有用电的物体接入网络，从而构建成物联网络。网络由基于电力传输线的通信平台、微处理器控制平台和感知平台构成，配以完整的通信协议，使信息有效传输到物联网系统中，从而满足人们生产、生活的需要。

以生产场景为服务目标的网络结构如图1所示［2］，其中包含了生产安全控制、工业生产管理、消防控制、空气质量探测以及照明控制、门禁系统等。通信平面设计在同一个变压器范围之内，以电力传输线为物理媒介，利用ES0191电力通信芯片进行频带传输，提供高可靠、低速率的数据传送。控制平面设计以微处理器支撑的系统，组织和协调通信平台以及感知平台的有序工作。物联感知平台将生产场景所需要的与保障安全、提高工作效率、提高生活质量有关的信息采集传感器联系在一起，通过服务决策处理机构，有效的提供预期的服务，满足业务所有需求。

图1 基于电力传输线路的物联网工业生产场景

2 通信平台

通信平台硬件框图如图2所示，当进行数据接收时，从电力线上送来的频带信号，通过耦合电路、带通滤波电路、前端小信号放大电路后，经过内部处理交由微处理器进行数据分析和使用；当进行数据发送时，封装好的数据帧从单片机数据口送出，送至ES0191芯片，经过内部调制后，将频带信号输出至功率放大电路中，然后送到电力线上。

为了实现低速、高可靠的数据传输，选用ES0191芯片作为电力通信芯片。该芯片结构简单，使用扩频通信方式，传输速率500bps，单级传输距离1 000m左右，有较强的抗干扰及抗衰减性能。中心频率为120kHz，带宽为15kHz。同时使用AT89C2051作为控制平台，能够满足通信的所有需要。

通信平台硬件原理如图3所示。在信号发送端的设计中，考虑到电力线信道上的强干扰和强衰落，为了增加传输距离和提高接收到的信号质量，设计了功率放大电路。在信号接收端的设计中，为了滤除带外杂波，设计了5阶巴斯沃特带通滤波电路。为了便于芯片内部判决，必须提高接收信号的幅度，设计了4阶前级放大电路。

要发送的数据经过通信芯片内部调制后，从PSKO口输出120kHz、5V的频带信号。考虑到电力线信道不是一个良性信道，有很强的干扰和衰落，所以在发送端加入功率放大电路，使有用信号远距离传输［3］。恰当的选择功放电路上的电压，使其获得恰当的输出功率。

由于电力线信道上的强干扰，频带信号经过信道传输后，在接收端会有各种频率分量的噪声，所以发送来的信号必须经过滤波电路，滤除噪声后，才能通过芯片进行解调。根据电力通信的特点，设计5阶巴斯沃特滤波器。一方面滤掉中心频率120kHz，频带宽度15kHz以外的杂波，另一方面也可克服3阶巴斯沃特滤波器中间有陷波点的问题，有效保留频带信号。

图3 通信节点硬件电路总体设计

频带信号经过了复杂信道的传输，信号衰减已非常严重，再通过无源带通滤波，会使频带信号过小而无法被检测出。为了通信芯片能更好的接收和判断，在滤波之后设计了小信号放大电路，对信号进行了放大。

规则：每个读者可摇3次，3次摇完则没有机会中奖了。或者是每个时间节点：每个读者可摇一次，如第一个时间节点，只摇3等奖，第二个时间节点摇2等奖，第三个时间节点，摇1等奖(具体规则可灵活变动)。

为了验证设计出的电路的性能，根据计算结果和设计电路图，使用Tina pro软件进行仿真，结果如图4所示。

在图4中，当发送端输出112.5～127.5kHz之间的一个正弦或方波信号，内部调制后，经过功率放大电路进行放大。功放电路中发射电压（VHH）会直接影响发射功率的大小，随着发射电压的增大发射功率也增大，一般发射电压应选在10V以上，最好在15～18V之间。放大的信号经过耦合，被送入电力线信道上。电力线信道并不是一个良性信道，通过传输后，到达接收端的信号不仅含有衰落后的有用信号，还包括各种噪声，并且这些过大的噪声会直接淹没有用信号。对于随机脉冲噪声（开关用电设备等产生的噪声，这种噪声干扰一般持续时间很短、但幅度很大），可以通过协议的设计来消除。但是对于频率较为稳定的背景噪声以及连接在电力线路上的各种电器产生的电磁干扰噪声［4］，就必须使用带通滤波器来消除。巴斯沃特滤波器，特别适合于低频应用，并且通带内非常平坦，接收到的信号通过后会滤除掉带外噪声，有效保留有用信号以及部分通带内的噪声。滤波后的信号通过前端小信号放大电路，适当调整负载后，将信号放大到最大状态，送入到ES0191芯片的ASI口，经过芯片内部的进一步混频、滤波后，提取出有用信号。

图4 综合电路仿真结果

3 通信协议

PSK调制后的频带信号如图5所示。从传感器采集到的数据到达微处理器，经过内部分析处理之后，将封装好的帧从单片机数据口送出，到达电力通信芯片的DATA＿IO口（管脚6），同时I／O＿C口（管脚8）置低，使DATA＿IO口成发送信息状态，单片机数据从DATA＿I／O口进入芯片内部，经过内部调制后通过PSKO口（管脚9）以模拟频带信号输出到功率放大电路中，经过耦合电路后送到电力线上。

从电力线上送来的频带信号，通过耦合电路、带通滤波电路、前端小信号放大电路后，从ASI口（管脚17）进入芯片，经过芯片内部的解调之后，传输的数据到达DATA＿IO口，同时I／O＿C口置高，使DATA＿IO变为接收信息状态，数据从DATA＿IO口进入单片机，经过内部解帧后，提取出有用数据，进行下一步操作。在图6中，对比了发送／接收数据。通过对比可以看到，除了有延时外，数据被准确无误的接收。

通信平台使用的是相移键控（PSK）调制方式，即用相位的改变来表示不同的信息。可表示为

其中g（t）表示信号脉冲，fc表示载波频率，T表示码元宽度，φ（n）为载波在t＝nT时刻的相位，且

其中θ为初相位，M为载波相位的取值个数。令

则称Q（t）为正交分量，I（t）为同相分量［5］。要实现变频，只需同相分量和正交分量分别乘以－sin（2πfct）和cos（2πfct）并求和即可。要得到BPSK，QPSK和8PSK，只需让 M＝2，4，8即可。ES0191通信芯片使用的是BPSK，这种调制方式是用相位的跳变来表示二进制数据的，不用关心传输过程中信号幅度的变化，对噪声的敏感度最低。在整个实验的过程当中，可以清楚地测定PSK调制方式在抗噪声性能上大大优于ASK和FSK，而且信道频带利用率较高，目前是应用广泛的最佳数字载波传输方案。

噪声干扰是影响电力线通信质量的突出问题。为了保证数据接收的可靠性，通行协议设计的好坏非常重要［6］。前辈科学家们，为有线局域网络提出了CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detect）协议，为无线局域网络提出了CSMA／CA （Carrier Sense Multiple Access／Collision Anoidance）协议。在低压电力线信道中，开关用电设备等产生的随机脉冲噪声、电力线上的背景噪声以及连接在电力线路上的各种电器产生的电磁干扰噪声，对载波通信数据影响较大［7］。CSMA／CA协议是为无线网络设计的，无线网络上的噪声特性与低压电力线网络的突发性脉冲噪声环境相似，并且CSMA／CA协议采用RTS－CTS握手机制，能够避免“隐藏节点”的问题，也不需要进行冲突检测。但是在实验过程中发现，CSMA／CA协议对于传输速率低的PLC网络，其RTS－CTS机制过于复杂，给网络增加了额外的开销，特别对于短帧传输，这种开销的比重显得更大。所以，优化了CSMA／CA协议中的帧结构。

ACK确认帧设计为：帧标示位（判断帧的类似）、目的地址、源地址和帧序列号（数据帧和确认帧应一一对应）。见图7（a）。

（2）增加报警提示帧。如果重传次数溢出，将发出报警帧。同时报警帧加入目的地址和源地址，用来告诉应该是哪条链路上出了问题，其他节点可以绕行。

报警帧设计为：帧标示位，目的地址位，源地址位。见图7（b）。

（3）在数据帧的设计上，主要考虑到所设计的网络为小型的局域网络具有节点少、速率低，但是信道差、数据可靠性要求高的特点，在数据帧结构的设计和协议的设计上，一方面要减少各类控制信息，以增大传输效率；另一方面，要对数据做好纠错检错，以达到可靠性的要求。见图7（c）。

图7 通信协议中帧的类型

图7 中的HEADER位作为帧标示位，主要用来区分接收到的帧是数据帧、确认帧还是报警帧，用4bit，共有14（去掉全0和全1）种标示位，目前使用了3种。DA位和SA作为目的地址位和源地址位，用了8bit，可分配给254（去掉全0和全1）个结点，满足项目的网络设计要求。FN位作为帧序列号位，分配了8bit，一次性最多可连续传输254（去掉全0和全1）个数据帧和与数据帧一一对应的ACK确认帧，在低速的物联网络中，是完全够用的。

DATA位作为数据位。根据研究成果［8］，干扰脉冲的到达率φ最小为0.1ms－1，最大为10ms－1。而当0.1＜φ＜1时，可算出最佳帧长不大于400bit。对应到所设计的数据帧中，N的取值不大于44。但在本项目设计之初所提出方案，就是建一个低速率的物联网络。在网络中传送的是各类传感器采集到的数据信息和各类控制信号，同时通信芯片最大传输速率为500bps。所以目前在网络中不会出现图片、视频等大数据量信息。考虑到目前常用传感器的精度以及所设计的物联网络数据传输的实际情况，N取值在6～10合适。

FCS为帧校验位，可使用CRC－16校验码。

协议设计中，使用“信道监听－数据发送－接收ACK确认”流程，可减少第一次的“握手”，在保证可靠传输的前提下适当降低协议的复杂度［9］。

算法如下。

（1）闲暇时都将各个节点设置为接收状态，即将I／O＿C端口置高电平，这样信道上就没有载波，表示为空闲。

（2）发送数据时，发送节点的ASI端口开始监听信道，若信道上无信息传输，则退后随机时间t，不然跳到（3）。等到退避时间到，继续检査信道是否空闲，如果空闲，立即发送数据帧，并等待接收ACK确认帧，跳到（4），否则跳到（2）。

（3）如果检查到信道忙，随机退避数T，则跳到（2）。

（4）如果在指定的时间内，发送端未收到ACK确认帧，跳到（1），再次传输，在同一时间计数器加1。

（5）如果在指定时间内，发送端收到了确认帧，则说明发送成功，可进行下一帧传输。

（6）如果计数器加满，表示重传次数溢出，则停止本次通信，同时报警提示目前该段信道恶劣，请择机重传。

4 结语

基于电力传输线的下一代物联网络，是一种新型的物联接入方式，同时也是一种实用、绿色的通信方式，在生活和生产中都将会发挥出巨大作用。所开发的硬件电路平台，用到的通信协议，都是针对于这种新型物联网而专门设计的，经过实际布网验测，完全满足通信的要求。在下一步的工作中，将继续完善通信平台和控制平台，并对物连感知平台做进一步研究。

［1］熊辉.低压电力线网络通信协议及路由算法研究［D］.兰州：兰州大学，2012：9－13.

［2］孙友伟.基于公众通信网络平台的精确农业网络构成［J］.西安邮电学院学报，2010，15（6）：92－95.

［3］张贝，孙友伟.基于物联网的电力线以太网适配器的设计［J］.西安邮电大学学报，2013，18（2）：66－69.

［4］Canete F J，Cortes J A，Diez L，et al.Broadband modeling of indoor power line channels［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2002，48（1）：75－83.

［5］孙友伟，张晓燕，畅志贤.现代移动通信网络技术［M］.北京：人民邮电出版社，2012：16－108.

［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.

［7］井翠红，孙友伟.基于电力传输线的新型物联网络TDMA协议［J］.电视技术，2013，37（1）：64－67.

［8］王凤碧，黄荣辉.电力线通信最优数据帧长度研究［J］.东莞理工学院学报，2005，12（3）：29－32.

［9］孙友伟，董建娇.基于电力线的自适应阻抗匹配方案［J］.西安邮电大学学报，2013，18（6）：55－58.