电力载波多联机空调通信系统的设计与开发

洪为伟　徐政

摘要：为了降低多联机空调系统的成本、简化安装工程，采用电力线载波通信技术构建了多联机空调的通信系统。首先根据系统控制的通信需求提出了基于窄带电力线通信技术的解决方案；然后主要从信道接入控制和组网控制两方面设计了包括物理层、介质访问控制（MAC）层、网络层和应用层的四层通信协议集，提出了基于载波侦听多路访问/冲突避让（CSMA/CA）设计思想的三种信道接入算法以及星型网络拓扑的组网算法；最后对11节点多联机空调系统进行了组网测试、正常通信测试和抗干扰测试。测试结果表明所提算法及方案能够满足多联机空调系统的实时控制要求，并具有较强的抗干扰能力；另外，所设计的通信协议具有开放性，可以根据需求进行修改，应用于智能家居等短距离无中继的实时控制领域。

关键词：多联机空调系统；电力载波通信；通信协议；载波侦听多路访问/冲突避让算法；组网

中图分类号：TP393.1

文献标志码：A

0引言

多联机空调系统通常由一台室外机和多台室内机组成，室外机根据室内机的开/关状态和制冷/制热量需求，结合室外环境条件，实施系统控制。室内机与室外机之间的通信目前均采用专用数据线，整个系统布线复杂，维护费时费力。本文尝试采用窄带电力线载波通信（Power Line Carrier Communication， PLCC）技术来解决这一问题，直接利用电力线作为通信介质[1]，无需另外布线。

PLCC技术在应用中主要涉及物理和系统两个层面的问题。物理层面主要包括信道问题及信号耦合问题。电力线是为工频交流输配电而设计的，作为通信介质，环境差且干扰多[2-4]，对信号编码要求高。而新一代载波通信技术——正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）[5]，在低速率情况下通信可靠性高，采用该技术能够满足空调通信系统的需要。另外，由于低压电力线输入阻抗具有随机性和时变性[6-7]，使信号耦合难以寻到最佳功率匹配点，影响电力线上的载波信号强度。在多联机空调系统中，通过测量常用环境电力线上的阻抗分布，选取典型阻抗值作为耦合电路阻抗设计参考值，可有效解决这一问题。

在系统应用层面，目前窄带PLCC技术主要应用于低速率的监测数据传送，如智能抄表等，很少在实时控制系统中得到应用。且窄带PLCC技术没有统一的标准通信协议[8]，处于厂家各自开发的状态。本文根据多联机空调系统通信要求及PLCC技术的特点，提出了一整套通信协议集，能够实现系统的可靠通信，满足多联机空调实时控制的需求。

PLCC技术在多联机空调系统中的应用展现了其优越性。与现有无线技术相比，PLCC技术具有无需布线、自组织性良好、穿墙能力强、成本较低等优点。ZigBee技术穿墙能力弱，但具有非常强的自组网特性，支持节点数多，适用于空旷环境下的近场通信，如无线传感网络。Wi-Fi技术的特点是大容量、高速率，但自组网能力差，穿墙能力弱，解决的问题主要面向无线接入。目前无线通信技术在智能家居领域已经得到了诸多应用，与之相比，PLCC技术的应用相对较少，原因主要在于窄带PLCC技术高通信速率和可靠性难以兼得。但PLCC技术由于其无法比拟的优点使其在智能家居领域仍然成为一种非常具有潜力的解决方案。

1多联机空调电力载波通信系统解决方案

多联机空调通信系统是由一个室外机主节点和多个室内机从节点组成的星型网络，所有节点共享电力线物理介质。系统中所有通信均由主节点发起，从节点响应。以海尔多联机空调系统为例，由一个室外机主节点及最多64个室内机从节点组成，通信时序如图1所示，具体需求如下：

1）在主节点广播询问帧后，所有从节点应立即依次回应状态参数，主节点接收数据并校验。若在200ms间隔内主节点未收到从节点的应答帧，就认为本轮通信结束，将启动下一轮通信。

2）平均每个从节点应答时间应控制在230ms内，以满足一轮通信时间短于15s的要求，保证空调系统的控制特性。

3）从节点之间不通信，都只与主节点通信。

4）主节点与从节点通信距离较短，无需中继转发，直接采用点对点通信。

为了防止从节点同时返回应答帧时在电力线上产生冲突，本文提出如下解决方案。在正常通信前先对整个系统进行组网，给每个从节点分配从1开始的按顺序的地址码。组网完成后，开始进入正常通信阶段，主节点广播询问帧后，各从节点将按照地址码大小延时不同的固定时间，依次发送应答帧。这种方式在正常通信时将不存在信道冲突问题，可靠性高，且每轮通信时间最短。组网只在系统第一次上电时进行，组网完成后各节点的地址都将保存在电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory， EEPROM），以后每次上电都直接读取地址。

2通信协议设计

采用分层协议设计思想来设计多联机空调系统载波通信协议[9-11]。协议参考开放式系统互联（Open System Interconnection， OSI）模型[12]而设计，共分四层，分别为物理层（PHYsical layer， PHY）、介质访问控制（Medium Access Control， MAC）层、网络层（NETwork layer， NET）及应用层（APPlication layer， APP）。每一层负责不同的通信功能，为上层提供端对端通信服务。

各层均维护一个管理实体及本层信息库，通过服务接口为各自上层提供数据服务和管理服务。上层通过调用服务接口原语[12-14]来实现数据分组的传送及对下层的管理。

2.1物理层

系统在物理层上为对等网络结构，采用广播的方式进行通信，硬件采用LME2980载波芯片电路系统。该芯片采用OFDM技术，支持多种子载波调制模式，支持用户自定义通信协议，具有通信效率高、实时性强的特点。

物理层通过服务接口原语为MAC层提供数据服务和管理服务。数据服务包括比特流的发送和接收；管理服务包括电力线信道状态评估、物理层信息库（Physical layer Information Base， PIB）属性参数的获取及设置。物理层参考模型[14]如图2所示，其中物理层管理实体（Physical Layer Manage Entity， PLME）维护一个PIB。

2.1.1物理层帧格式

物理层协议数据单元只包括数据帧，结构如表1所示。同步头长度与数据分组所采用的调制模式有关；数据域承载MAC层协议数据单元；校验采用32位循环冗余校验（Cyclical Redundancy Check， CRC），校验区域为除同步头以外所有字节区域。

2.1.2服务原语

物理层数据服务接口（Physical layer Data Service Access Point， PD-SAP）包括数据请求原语、数据请求确认原语和数据指示原语；物理层管理实体服务接口（PLME-SAP）包括空闲信道评估（Clear Channel Assessment， CCA）请求和确认原语、PIB属性设置/获取请求和确认原语。MAC层通过调用数据服务原语实现MAC层协议数据单元的发送和接收，通过调用管理服务原语实现对物理层的管理。

2.2MAC层

MAC层负责信道接入控制，同时为网络层提供可靠的端对端通信服务。采用载波侦听多路访问/冲突避让（Carrier Sense Multiple Access with Collsion Avoidance， CSMA/CA）算法[14-16]的设计思想，MAC层提供三种信道接入方式，满足多联机空调系统的不同通信需求。在MAC层发送数据分组时，信道接入方式由网络层指定。

MAC层为网络层提供数据服务和管理服务。数据服务包括数据的发送和接收，管理服务包括信道接入控制、MAC层信息库（MAC layer Information Base， MIB）属性参数的设定及获取。MAC层参考模型[16]如图3所示，其中MAC层管理实体（MAC Layer Manage Entity， MLME）维护一个MIB。

2.2.1MAC层帧格式

MAC层协议数据单元包括数据帧和确认帧。通用帧由MAC层帧头和MAC层帧载荷两部分构成，具体结构如表2所示。

MAC层维护长地址和短地址两套地址系统，每个节点都具有唯一的6B长地址，短地址在组网过程中由主节点分配，长度为1B。帧控制域包含多个子域，主要包括帧类型、确认请求位、源地址类型、目的地址类型等多个子域。帧序号由MAC层帧序号计数器维护；网络地址唯一标识一个多联机空调网络，由主节点控制产生，在组网时分配给各从节点；源地址和目的地址类型由帧控制域中子域决定；数据域承载网络层数据。

数据帧结构与通用帧完全相同，确认帧只有通用帧的帧头，没有帧载荷。只有在接收到的数据帧的确认请求子域设置为需要确认时，接收节点才发送确认帧。

2.2.2信道接入算法描述

MAC层提供三种信道接入方式：CSMA/CA-1、CSMA/CA-2和无竞争接入，分别在发送不同数据分组时采用。

CSMA/CA算法的基本思想是：当MAC层需要发送数据时，先检测信道状态；若信道空闲就启动发送；若信道忙，则随机退避一段时间再次检测信道状态重复上述过程。该算法存在两个关键参数：随机退避时间和退避次数。在PLCC中该算法并不能保证数据每次都发送成功，只能降低数据发送失败的概率，尤其是在同一时间需要发送数据的节点数目很多时。根据随机退避时间的设计思想不同，该算法分为CSMA/CA-1和CSMA/CA-2两种接入算法。

1）CSMA/CA-1算法。

CAMA/CA-1算法的随机退避时间根据网络规模大小来确定，此时退避时间与退避次数无关，只与网络规模有关。

随机退避时间=rand（）%网络规模；

rand（）为随机数产生函数，各个节点采用各自唯一长地址来获得差异化的种子，从而产生不同的随机数；网络规模指网络中所有节点数，在实际使用时也可用同一时刻要发送数据的节点数替代。该算法可使同一时刻需要发送数据的节点获得尽可能不同的退避时间且退避时间不是过长。

该算法适用于网络中所有从节点要同时启动数据发送的情况，为了使数据发送成功的节点尽可能地多，应尽可能使不同节点检测信道的时刻不同。在多联机空调系统组网过程中从节点请求入网命令采用该算法接入信道，退避次数设为1。

2）CSMA/CA-2算法。

CAMA/CA-2算法的随机退避时间与退避次数有关。节点启动发送时，退避指数（Backoff Exponent， BE）设置为规定的最小退避指数，随机退避时间取（0，2BE-1）区间的随机数。之后，每退避一次，BE取min（BE+1，MaxBE），直到节点发送成功或退避次数超过规定的最大退避次数，其中MaxBE为规定的最大退避指数。

该算法适用于没有严格通信时序的随机通信，即各节点通信时刻不固定且不会长时间连续通信。在本系统中，组网时的相关命令采用该算法接入信道，最大退避次数设为2。

3）无竞争接入。

当无需检测信道就能确定信道空闲时，就可以直接启动数据的发送，称为无竞争发送。在多联机空调载波通信系统正常通信阶段，由于各从节点严格按照短地址先后顺序发送应答数据分组，当轮到某一从节点发送应答数据时，信道一定是空闲的，此时就采用无竞争接入方式。

2.2.3服务原语

MAC层数据服务接口（MAC layer Data Service Access Point， MD-SAP）包括数据请求原语和数据指示原语，信道接入控制在数据请求原语中实现；MAC层管理实体服务接口（MLME-SAP）包括MIB属性设置/获取请求和确认原语。网络层通过调用MAC层数据服务原语实现网络层协议数据单元的传送，通过调用MAC层管理服务原语实现对MAC层属性参数的设置和获取。

2.3网络层

网络层负责组网控制，同时为应用层提供数据服务和管理服务。网络层参考模型如图4所示，其中网络层管理实体（Network Layer Manage Entity， NLME）维护一个网络层信息库（Network layer Information Base， NIB）。数据服务包括数据的发送和接收；管理服务包括组网、NIB属性的设定及获取。

2.3.1网络层帧格式

网络层协议数据单元包括数据帧和命令帧，通用帧格式如表3所示。帧控制域主要包括帧类型、网络层版本号等子域；数据域在数据帧时承载应用层数据，命令帧时承载网络层命令数据。网络层通过维护4个组网命令来实现组网控制功能。

2.3.2组网算法描述

组网启动后主节点广播发送请求组网命令帧，收到该命令后的所有从节点将采用CSMA/CA-1算法接入信道向主节点发送请求入网命令帧。在该请求组网命令下，主节点将收到多个从节点的请求入网命令，主节点将这些从节点的长地址记下，等待固定时间后给这些从节点一一发送节点入网应答命令，分配网络地址和按顺序的短地址，信道接入采用CSMA/CA-2算法。各个从节点在收到主节点的节点入网应答命令后，将发送节点确认入网命令通知主节点该从节点已经入网成功。一个从节点的入网过程如图5所示。

由于主节点发送一次请求组网命令，只能使一部分从节点入网，主节点在一次组网过程中将发送多次请求组网命令，直到所有从节点均入网为止。在组网过程中，已经入网的从节点在收到后续请求组网命令时，不再请求入网。判断所有节点都入网的标志是主节点连续发送3次请求组网命令均没有从节点请求入网，此时认为所有节点均已入网，可以通知上层组网完成，进入正常通信阶段。

2.3.3服务原语

网络层数据服务接口（Network layer Data Service Access Point， ND-SAP）包括数据请求原语、数据指示原语和命令请求原语；网络层管理实体服务接口（NLME-SAP）包括组网请求原语、NIB属性设置/获取请求和确认原语。应用层通过调用组网请求原语实现对系统组网功能的控制；通过调用网络层数据服务原语来实现应用层协议数据单元的传送；通过调用NIB属性原语实现对网络层属性参数的管理。

2.4应用层

应用层直接面对多联机空调系统中各节点的空调控制器，负责为载波模块与空调控制器之间提供通信服务接口，主要包括载波通信服务和本地通信服务。应用层参考模型如图6所示。

2.4.1载波通信服务描述

应用层载波通信服务接口为主节点空调控制器与从节点空调控制器之间提供可靠的端对端通信服务。当应用层通过串口收到空调控制器的数据帧时，解析后打包成应用层协议数据单元，调用网络层数据服务将其发送出去；当应用层收到网络层上传的数据帧时，将其解析打包成端口控制协议（Port Control Protocol， PCP）数据帧，通过串口上传给空调控制器。应用层协议数据单元只包括数据帧，帧格式如表4所示。

2.4.2本地通信服务描述

空调控制器通过串口与应用层通信，定义PCP协议来满足二者之间的通信需求。PCP协议数据单元包括数据帧、命令帧、应答帧及确认帧，通用帧格式定义如表5所示。

帧控制域主要包括帧类型、确认请求等子域。数据域承载空调控制器数据，与帧类型有关。

PCP为空调控制器提供可扩展的命令类型及相应的应答确认服务。组网启动由空调控制器控制，当需要组网时，由空调控制器发送组网启动命令给应用层，随后应用层通知网络层启动组网。组网完成后，应用层发送组网完成命令通知空调控制器组网完成，可以进入正常通信阶段。

3实验结果与分析

测试系统由1个室外机主节点和10个室内机从节点组成，系统硬件采用海尔多联机空调控制板和LME2980载波通信模块。

3.1组网测试

组网成功是系统正常通信的基础，是系统最关键的测试，采用监测主节点组网过程来评估组网效果。通过串口软件给主节点发送组网启动命令，随后通过串口打印出主节点的整个组网过程。组网测试过程如图7所示。

从图7中组网过程来看，主节点在广播首帧请求组网命令后，收到了5个从节点的入网请求命令，随后主节点立刻依次给各个从节点分配了9B 9F的网络地址和从01到05的短地址，也即在首帧请求组网命令下，有5个从节点入网；随后主节点广播了第二帧请求组网命令，有2个从节点入网，分配的短地址为06和07；随后主节点广播了第三帧请求组网命令，有3个从节点入网，分配的短地址为08、09和0A；之后主节点连续3次广播的请求组网命令，均没有收到从节点入网请求，主节点判断组网成功，随后给上位机发送了组网成功的状态命令，至此本轮组网结束。

从测试结果可知，主节点成功给10个从节点分配了9B 9F的网络地址和从01到0A的短地址，10个从节点均入网成功，整个系统组网成功。

3.2正常通信测试

在组网完成后的正常通信阶段，主节点广播一帧后，观测从节点是否按照地址顺序依次发送应答帧，评估正常通信效果。测试过程中，主节点广播一个参数询问帧，各从节点收到后，返回各自短地址作为应答帧，在这里各从节点应答间隔时间固定为200ms。系统正常通信测试过程如图8所示。

从图8中可看出，主节点在广播参数询问帧后，主节点收到的应答帧完全是按照地址顺序排列的，也即所有从节点在收到主节点的广播帧后，立刻按照从01到0A的地址顺序发送了各自应答帧。在第41s时，主节点共收到了5个应答帧，在第42s也收到了5个应答帧，显然每帧间隔为200ms，与设定间隔时间相同。综上可知，组网后整个系统能够正常通信。

3.3抗干扰测试

为了进一步验证系统通信的可靠性，进行了抗干扰性能测试。测试环境选在光伏并网发电系统接入点，共有10台单相3kW和1台三相10kW的光伏并网逆变器以及变频空调等大功率用电设备。当这些设备全部处于工作状态，将11节点系统置于此环境下进行组网测试和系统正常通信测试，测试结果表明系统能够在这种强谐波干扰情况下正常通信。

3.4测试总结

组网测试的成功直接验证了网络层组网算法的可行性，也间接验证了MAC层信道接入算法的可行性；正常通信测实验证了多联机空调系统基于PLCC技术的通信解决方案是可行的；抗干扰测试表明了该系统具有较强的抗干扰性能，能够实现系统的可靠通信。

4结语

本文所提出的组网算法和信道接入算法成功解决了信道冲突问题，所设计的通信协议完全满足多联机空调系统的通信需求，在实时控制中具有良好的表现。鉴于窄带PLCC技术低速的特点，在实时控制系统中，窄带PLCC技术多用于短距离无中继的通信情况。在实时控制方面，本文方法主要通过系统在正常通信前的组网来解决系统在正常通信情况下的信道冲突问题，正常通信时各节点按照短地址顺序依次发送数据，通信过程无任何冲突，同时保证了任意时刻均有节点在发送数据，使整个系统通信效率最高，能达到实时通信的目的；而且本文所设计的协议为开放性协议，扩展性良好，可以在不同协议层增加相关内容，使各协议层的功能更加完善，应用于智能家居等不同领域。

此外，低压PLCC技术在协议层面的研究目前主要集中在网络层组网路由这一块，主要包括基于蚁群算法的组网路由算法和基于非交叠分簇的组网路由算法[17-18]。本文提出的组网算法适用于星型网络拓扑结构，具有很强的自组织性，在组网过程中无需事先知道网络中各节点的地址；同时其设计思想适用于具有多层节点的网络拓扑，如低压配电网。低压配电网物理拓扑结构复杂多变，通信网络拓扑结构处于盲态，这就要求组网算法适应盲态组网和网络拓扑结构的变化，并且对变化前后的逻辑拓扑结构，算法具有同等的组网能力。以本文组网算法为基础，可以提出适用于低压配电网络的多层节点组网算法，其基本思想是在主节点启动组网后，采用本文提出的组网算法进行组网，入网的从节点定义为第一层节点，再从第一层节点中选择一个节点作为主节点，由该节点启动组网，入网的节点定义为第二层节点，重复上述过程，从每层节点中选出一个作为下次组网的主节点进行组网，直到网络中的所有节点均入网为止。采用这种方式组网并不需要知道网络的拓扑结构，而且对所有拓扑结构均具有同等的组网效果。该多层节点组网算法与基于非交叠分簇的路由算法相类似，但其自组织性更强，在组网过程中，无需事先知道各个节点的地址。该算法在理论上完全能够满足低压配电网络的组网需求，但在实际使用中还需验证其效率及找出最佳使用条件，这些都是后续需要继续研究的方向。

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