浅谈电力载波通信物联网络架构

苏为斌　孔艳春　钟赛君

摘要 纵观物联网行业发展历程，电力载波通信技术（PLC）鲜为人知，智能家居是近年来火热的话题，其衍生的各大技术大多取得了跨越式发展。通信技术的更新换代促进了物联网行业的发展，比如4G、5G、WiFi、ZigBee、蓝牙等无线通信标准逐渐在我们身边普及。在当下物联网行业无线通信标准混战的背景下，电力载波通信正悄然挺进物联网领域。事实上，电力载波发展由来已久，技术亦趋近成熟，电力载波抄表网络几乎覆盖全国，如若能有效利用电力网络实现物联，那么设备与设备的组网无非就是插上电源，构建智能家居物联网络显然要方便得多。

关键词 电力载波通信；物联网；智能家居

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号2095—6363（2016）13—0083—02

物联网（IOT），其英文名称是：“Internet of things”。顾名思义，物联网就是物与物之间实现通信的互联网络。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础源于互联网的扩展；其二，物联网延伸到物与物之间，存在着机器与机器之间不为人知的信息交互和数据过渡。因此物联网一方面应与万维网（Internet）联网；另一方面又要实现机器与机器之间的相互管理，即M2M（Machine to Machine），显然电力载波通信物联网络应当满足并具备这两个条件。

1电力载波通信的发展现状

1.1国内电力载波芯片研发介绍

在电力载波抄表应用中，由于电度、用户数据等信息量较小，对通信线路带宽要求不高，有着广泛的前景。所以中速率的数据传输芯片研发，成为电力载波抄表的主要应用，已经普及到了各级地方电力网络。主要型号有青岛鼎信TCC081系列、深圳力合微LME2200系列、北京福星晓程PL4000系列等，与国外同等芯片相比，具有造价低廉、稳定可靠等优点。

1.2国内电力载波通信面临的机遇与挑战

国内载波芯片在电网行业中前景可观，但若把该类芯片发展为物联网络应用芯片，那么载波通信物联网络标准与协议的制订将成为制约其发展的主要核心问题。事实上，物联网标准化之路任重道远，软件和中间件是物联网的灵魂和关键。电力载波通信构建物联网络是一个多行业交叉的系统工程，各厂商的不同的接口标准与通信协议导致不同设备之间的互连、互通无法实现，目前该类芯片主要应用于电力载波抄表。比如，TCC081系列芯片载波频段是401kHz～441kHz，LME2200C的载波频段是60kHz～150kHz，PL4000X采用120kHz载波频段。因此，建立各厂商之间共同遵循的标准与通信协议，是电力载波通信技术推广至物联网络面临的重要挑战。

我国在“十二五”期间提出了物联网概念，但经过5年发展，物联网热并没有把智能家居概念广泛推广开来，众多厂商以Zigbee、WiFi无线方式推广自己的产品，却忽略了用户体验。再看电力载波市场，其最大的客户应用主要是电网公司，通过载波抄表方式成功替代了人工抄表，大幅提高了效率，节省了很大的人力成本开支，但是在智能家电、工业场合几乎没有应用。若是我们从用户体验角度来思考，不管哪一种家电设备，只要通上电便可自动加入智能家居控制阵营，不用去为某一个设备单独配置地址，不用有太复杂而让用户分不清的操作，在不改变传统家居操作模式的前提下，低成本地植入电力载波通信芯片，构造物联网络，那么电力载波通信物联终端架构的推广与应用将迎来前所未有的机遇。

2电力载波物联网络架构设想

2.1实现电力载波通信物联网络的技术架构

由于电力载波通信物联网络，存在着不同厂家，不同型号的各类通信模块，所以我们必须构造一中间环节，进行通信的汇总，并联入Internet。如图1所示，ARM嵌入式系统（或中科龙芯Mipsel架構），经过电力线可以与各种智能家居设备实现互联。

由图l可以看出，“ARM嵌入式系统”中间环节是实现电力载波通信管理的关键节点，当然也提出了一系列难题，即系统由谁来建设，谁来运维，谁来推广，如果把该中间环节交给用户自己管理，则存在着设备维护难度大、设备接入有冲突、运作成本高等难题；如果把该中间环节交由创新型中小微企业运作，则面临大量的家电设备不支持电力载波通信，接入标准的不统一，各自为政，重复开发的问题；如果把该中间环节交由大型企业运作，则面临创新力不足，资源过度垄断的问题，就像现在的电力载波抄表，只能抄表，没有高效的发挥该项技术的优势，形成了极大的资源浪费。

2.2实现电力载波通信物联网络的组织架构

实现电力载波通信物联网络架设，不管是个人还是企业均难以实现，加之现有的电力系统，存在着国电、南网各类载波抄表系统，如果把电力载波通信这一“肥沃土壤”开放，必将对电度费用管理形成威胁，损害国家利益。

面对这一系列矛盾，实现电力载波通信物联网络，不但应当兼顾国电、南网企业利益，避开或禁用该类抄表载波频段，而且应当由政府牵头，成立国家级“电力载波通信物联网络”标准制订组织，邀请各大科研机构、院校、企业共同制订统一的电力载波通信标准体系，设计和研发该类电力载波通信芯片，并对社会开放。该项技术若得以建立和推广，将对创新型中小微企业提供一个嵌入式开发平台，这类企业可以依据标准，提供相应的区域化服务，用户既不用自己开通网络，也不用关心设备接入问题，只须给设备通上电就能实现智能控制，有效地降低智能家居设备的使用成本；对于家电制造企业来说，依照该标准，植入低成本的载波通信芯片，实现物联网络通信，即可充分了解自己产品的运营信息、故障信息，最大限度地做好产品售后服务，实现以服务创造效益，而非一味的依靠产量、价格恶性竞争。

2.3实现电力载波通信物联网络的标准架构

在智能电网中，我国电力载波抄表系统主要采用DLT/645-2007通信协议，支持主从问答式半双工通信，电力载波通信物联网络标准的制订，可充分参考该协议。该协议在从站地址上提供了A0～A5共6个字节，理论上同一总线网段内可支持设备接入数量达到281万亿个以上，完全可满足厂商代码分配、家庭区域码划分、各从站地址码划分等要求。

电力载波通信属于总线式载波通信架构，不同于点对点的TCP/IP以太网络。总线型通信是有主、从之分的点对多点或多点对多点的通信网络，主站正确识别从站以及从站的接入自动管理是总线型通信的技术难题。对于总线型通信而言，从站设备必须保持静默状态，随时等候主站的轮询访问，当主站轮询到它时，才可发送数据。主站轮询从站获取数据应当包含询问从站需求、满足从站需求、获取从站常规数据、发送控制指令、结束访问等五项主要内容；从站应当划分需求寄存器、常规数据寄存器两种内存空间以供主站访问。

总线型网络架构存在的第二个难题就是从站地址的自动分配，这关系到设备插上电是否能够自动接入物联网络。我们可以重新构建新的电力载波广播信道，以不同于数据采集控制信道的工作频段向总线内发送广播信号，广播信号中包含从站地址的分配序列，那么新接入智能家居设备，便可根据该分配序列自动递增分配地址，然后通过数据采集信道频段告知主站。主站为了发现新加入的从站，在每次轮询完所有子站后，都应当尝试自动探索新加入的从站。从站地址在分配完成后应当具备掉电保存功能。

3结论

尽管基于电力载波通信的物联网络目前还没有完全实现，但我们相信，通过规范化的标准制订和实施，通过统一的部署和不断的引入新技术、新思维，一定可以低成本、高效率地实现基于电力载波通信的物联网络架构。本文本着抛砖引玉原则提出我们的想法和见解，相信该技术的成功推广必将成为重要的经济增长点。endprint