浅谈PLC照明团体标准

罗茂峰

(中国人民大学信息学院上海研修班， 上海 201107)

引言

《电力线载波通信(PLC)全屋互联标准规范》(T/SILA 001—2020)[1]、《电力线载波通信(PLC)工业照明互联规范》(T/SILA 002—2021)[2]这两项标准主要定义了与PLC模组串口通信协议，即基于电力线载波的智能照明控制应用层规范。该标准物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)采用的是《适用于智能电网应用的中频(低于12 MHz)电力线载波通信技术标准》(IEEE 1901.1)[3]，IEEE 1901.1标准也主要由我国企业联合发起制定(IEEE P1901.1 Working Group)，并得到了国际认可。因此这两项团体标准算得上是为数不多的由中国企业主导的智能照明连接协议，具有开创性的意义。本文将探讨这两项标准的相关内容。

1 PLC团体标准所述系统简介

1.1 系统组成

PLC系统由一个或多个子系统组成，子系统间由计算机网络进行连接。

每个子系统由作为CCO 中央节点的网关和子设备组成，网关和子设备之间基于 PLC 系统控制协议通信。一个子系统至少含一个 CCO 中央节点；任一个系统设备都可以主动发送事件上报信息；一个子系统最多可独立寻址 1023个设备，49 150个可寻址组及65 535个照明场景，单个子设备至少支持 32 个场景。

PLC子系统结构如图1所示。

注：图中“本地控制”及“PLC模组自作主控设备”两部分并未出现在团体标准原文图中，但在华为PLC实际应用系统中有广泛使用，故由笔者加入。

1.2 串口通讯帧格式

PLC团体标准主要描述了采用PLC模组+外接主控方式时，主控单元与PLC通信模块之间的串口通讯应用层协议。所有的功能都要靠主控与模块间的通信来实现。

串口应用帧的基本单元为 8 位字节。链路层传输顺序为低位在前，按异步方式进行，通信速率默认为 115200 bps，每字节传输包含 1 个起始位、8 个数据位、一个偶校验位和 1 个停止位。

数据帧采用小端序，依次构成段为：Head：帧头，固定为 48H。 Ctrl：控制域。 Cmd：命令码。 Seq：帧序列号0～65535循环。 L：数据域 Data 的长度，不超过 502 字节。 Data：数据域。 CRC：报文校验和，范围从帧头到Data 段，采用 CRC16-CCITT(0x1021)。

1.3 PLC设备及功能服务

PLC设备功能由设备描述文件(设备profile)所定义。设备 profile 是设备和其他子系统之间的交互数据定义能力和格式，用于描述设备所具备的能力和状态数据。

设备profile 中定义了该设备具备的几种服务(service)类型，每种服务类型包含一个或多个属性(characteristic)。服务与属性描述了设备的功能特征集。各种不同的服务可拥有相同或类似的属性，不同的设备也可拥有相同或类似的服务。服务用SIID (Service Instance Identification，服务实例)号标记，属性则用CIID(Characteristic Instance Identification，属性实例)号标记，各占两字节，其中 0x0001～0x1964 为通用定义段，0x1965～0xFFFF 为厂商私有自定义段。云端及PLC报文中通过SIID、CIID及数据来进行交互功能控制，支持在同一个报文中对多个SIID中的CIID进行读写操作，这是该协议的一大特色。

以场景面板为例，T/SILA 001—2020中定义的设备中服务和属性格式如表1所示。

表1 服务和属性格式

早期的全屋互联规范没有定义智能开关模块及空气质量传感器两种设备，也没有定义所有设备的故障服务和时间两项服务。工业照明规范包含了全屋互联规范的功能并对这几处进行了扩展，T/SILA 002—2021中定义的所有设备和服务列表如表2所示。

表2 设备和服务列表

2 PLC团体标准可能存在的问题与建议

2.1 标准完整开放性问题

PLC团体标准主要是聚焦于网关、设备采用PLC模组+外接主控方式时，主控单元与PLC通信模块之间的串口通讯应用层协议。除了说明MAC 及PHY 层符合IEEE P1901.1外，并未公开PLC通信模组之间的各通信细节，另外标准也较少提及设备采用PLC模组自身作为主控单元时的细节。按网络分层的观点来看，该团体标准似乎并非一个包含网络各层的完整的行业开放式物联网协议，而更像是为各设备厂商接入华为PLC系统而定义的一个接口。

2.2 帧格式问题

PLC串口数据帧采用一字节固定值48H的方式，该方式可能引起不能正确接收的问题如下:

1)当数据(data)跟帧头一样时，如帧头是48H的情况下多个数据也正好是48H，接收方可能难以判断究竟哪个数据是帧起始字节。

2)当数据帧里面的部分数据符合单独数据帧特征时，即一个数据帧里头正好嵌套或包含了一个或数个数据帧格式的数据，接收方即使通过CRC 验证也难以知道究竟该接受哪个数据帧。举例来说，用一个完整小帧x(包含帧头、数据、CRC等所有信息)作为另一帧的数据，再加上包含帧头、CRC等所有信息生成一个长点的帧y用来测试。这时接收方可能会收到两个合格的帧，即x,y。当数据中出现多个这种嵌套或包含关系数据时，接收方将无法准确判断或判断所需的开销将变得很大。

通常改进方法如下：

1)可以将帧起始头变为多个字节，并可选用使用概率最小的数字组合作为起始字节。这种做法使得数据中出现同起始字节的情况的概率大大降低，但无法完全消除问题。

2)帧头数字在数据中避免出现。如帧头是48H的情况下，数据体中的每个单字节48H可以用双字节47H+49H代替，47H用47H+47H代替，接收方收到47H字符时需考虑后续字符联合译码。该法需要保证除起始帧头外所有其他字节不出现与帧头相同字节，在原欲发送数据与帧头全部相同的情况下，最低可能降低一半的发送效率。

3)时隙法。 即在每一帧与下一帧间插入一定时长空时隙(通常大于一字节传输时长)以作帧间区分。该法需要保证传输一帧数据时各字节是连续发送的，即字节之间发送时间间隔需明显小于帧间空时隙。该法简单易用，但可能需要用定时器资源并需时刻实时接收数据，可能会给微处理器带来较大不便。

2.3 PLC寻址问题

每个物联网标准中，准确寻址(即查找发现设备)是使用设备的前提，尤其是安装了多种多个设备的情况下。团体标准采用了随机时间心跳的方法来查找多设备，即网关开启随机心跳指令，指令中包含了随机时间的范围。设备收到后在该随机时间范围内的随机时间发出心跳。网关收到心跳后即可认为发现了该设备，即实现了寻址。由于各个设备响应时间是随机的，在设备较少、通讯速度较快及随机时间范围较大、干扰较少的情况下，可以准确发现各个设备。

但是，当大量PLC设备在较短时间内发送随机心跳时，各心跳包之间有较大概率发生冲突，另外心跳包也可能会受到环境干扰。这些冲突或受干扰的心跳包无法被PLC网关所获取，从而可能导致部分设备寻址失败。团体标准中并未对此提出详细的解决方案。

以下对此提出一些简单建议：

1)多次重复获取心跳响应。该法可以让之前发出受干扰或冲突影响的设备重新发出新的心跳包，从而增加设备心跳准确到达PLC网关的概率。

2)一种改进的方法是：初始让所有设备参与心跳响应，然后进行一次获取心跳响应，结束后PLC网关对收到准确心跳的对应设备进行编址等操作，并暂禁它们参与下一轮获取心跳响应。接着进行下一次获取心跳响应，如此多次获取心跳响应循环直到未收到任何心跳为止。此法因为发出心跳的设备数量逐次减少，发生冲突的概率也会逐次减少。比较适合大量设备高干扰的环境。

2.4 子系统内控制机制问题

系统控制面板或传感器的事件信息发送到网关(CCO)，由网关根据控制逻辑进行处理，并由 PLC 网关(CCO)把处理完的控制信息发送到受控设备进行控制处理。

采用这种方式的好处是所有控制逻辑都集中在网关，而在网关端编辑逻辑相对容易。另外面板或传感器功能简单，有利于子设备厂商。坏处则是一旦网关发生故障，整个照明子系统将无法控制。改进方法有：

1)增加面板传感器直接控制设备的功能。

2)增加网关一键备份恢复功能，在网关坏了之后能用另一网关直接代替，而不需要重新配置网络。

3)施工时需要增加一些物理开关的备用设计，以免网关失能后还能像普通非智能灯具那样开关灯具，灯具主控程序里也需要考虑这种情况下的工作机制。

3 照明相关功能服务与其他主流照明协议的对比

3.1 参照标准集

以下着重介绍照明标准最相关的灯光驱动控制器的几个服务，并对比其它几个国际主流数字照明控制相关协议如DALI(Digital Addressable Lighting Interface,数字可寻址照明接口)[4]、DMX(Digital Multiple X，数字多路)、BLE MESH(低功耗蓝牙网络)[5]、ZIGBEE(紫蜂)[6]的异同点。

3.2 亮度(SIID 0x0007)

直接采用0～100整数表示亮度，0表示关灯，最小亮度为1% 。

优点：简单直接。缺点：调光分辨率较低；最小亮度较大，且在亮度较小时每级相对亮度变化率较大，如1到2之间亮度变化了100%。实际慢速调光渐变过程中低亮度时，主控mcu可能需要采取将一个步长变化分为多个分步完成，以减小调光过程抖动给人带来的不适感，如亮度1到2分为十小步执行：1、1.1、1.2、…、2,每步只变化了0.1个亮度。PLC与其他照明相关协议在调光级数方面的定义差异如表3所示。

表3 PLC与其它协议在调光级数上的对比

3.3 色温(SIID 0x0009)

直接采用开尔文整数值表示，范围2 700～6 500 K，步长1。PLC标准只规定了最常用的色温范围，而其他标准规定的色温范围则宽得多，延伸到了红外及紫外光。PLC与其它照明相关协议在色温范围方面的定义差异如表4所示。

3.4 RGB颜色(SIID 0x0005)

直接采用RGBWA(红、绿、蓝、白、琥珀色)五通道值表示，每通道数值为整数0～255, 与五通道的DMX 相似。这种表示法比较简单。 在颜色上，其他照明协议除了类似这种RGB表达法外，还支持了其他的方法，如描述色彩的色相、彩度、明度三要素的孟塞尔表色系，及采用标准色度观察者光谱三刺激值 CIE x-y 或u-v 色系。

表4 PLC与其他协议在色温范围上的对比

3.5 开关渐变(SIID 0x0042)

采用0～5整数秒来表示，这是常用的渐变设置范围。但是，团体标准并未标明这是最暗到最亮之间的渐变时间，还是当前亮度到新目标亮度的渐变时间；前者拥有固定的相邻亮度级间变化时间：(渐变时间参数/(最大亮度级-最小亮度级))，但是总渐变时间是由目标与当前亮度级差决定的：(渐变时间参数×|目标亮度级-当前亮度级|/(最大亮度级-最小亮度级))；而后者则相反，拥有随亮度级差变化的相邻亮度级间变化时间，它等于：(渐变时间参数/|目标亮度级-当前亮度级|)，而总渐变时间则固定等于渐变时间参数。

PLC团体标准除了开关渐变这一简易数值外，暂并未有其他调光参数内容。其他照明协议则定义了更丰富的参数，如 DALI2[8]定义了当前亮度到目标亮度之间的渐变总时长为0～16 min，排除零外最小渐变时长为25 ms[9]。另外DALI还定义了相对调光指令，如调亮(UP)、调暗(DOWN)，并定义了相应的渐变速率(FADE RATE)这一可设置参数，这对于某些场景中各种灯的亮度不一时的调光有很大帮助。

3.6 故障服务(SIID 0x0036)

PLC工业照明系统(团体标准)为所有设备提供了两种故障代码，即 Ciid=0x0085 标准故障代码 及Ciid=0x0086 的自定义故障代码。标准故障代码只有0正常与1异常两种数字。在DALI标准中，定义了灯失败、开路、短路、过载、掉电等故障状态，这些状态可以被主机查询并报告给用户，对故障诊断有一定作用。PLC中如需使用这些功能可以在自定义故障代码中实现。

3.7 团体标准中暂未定义的其他功能服务

有些有用的照明控制相关参数PLC团体标准中暂未定义，但其他专业照明协议则有明确规定。如在DALI、ZIGBEE中，还定义了其他一些参数，例如：

最小亮度(MIN LEVEL)：可由用户设置的最小亮度级。

物理最小亮度(PHYSICAL MIN LEVEL)：照明灯具支持的物理最小亮度级，通常由灯具或驱动厂家设定。

最大亮度(MAX LEVEL)：可由用户设置的最大亮度级。

物理最大亮度(PHYSICAL MAX LEVEL)：照明灯具支持的物理最大亮度级，通常由灯具或驱动厂家设定。

上电最大亮度(POWER ON LEVEL)：可由用户设定的灯具上电时默认的亮度级，可以是某固定亮度值，或是上次断电前的亮度。

这些参数对照明控制相当有用，不过PLC团体标准中缺失这些参数也并不太妨碍它的整体功能。

4 PLC 团体标准应用的优势、挑战及注意事项

4.1 PLC团体标准的优势

速度：PLC：串口协议115 200bps，物理层峰值速率 0.507Mbit/s(Hi3921EV100)；相对于有线中的KNX 9 600bps(典型), DALI 1 200bps 有很大提高。得益于通信速率的提高，报文长度及功能都大大提升，一个报文中可实现多地址，多属性操作，通信效率提升很大；另外，控制实时性也很好。

布线：除了输入电源需加个滤波器外，PLC 布线方面优点跟无线一样，无需额外通讯线路，使它在后装改造市场上也比较适合。

信号：PLC通讯信号不像无线如蓝牙 ZIGBEE 等一样受建筑或金属屏蔽的影响，因此它可以工作在无线信号极不友好的环境。

4.2 挑战及注意事项

电力载波干扰：PLC通讯容易受电力线设备的干扰，这就要求PLC 设备设计时需要具有良好的EMC性能，输入端需有电感阻挡后面电容对PLC载波信号的吸收及阻挡设备EMC对电力线的载波干扰。非PLC设备与PLC设备之间最好用滤波器隔开，以免干扰PLC的通信。子系统之间也要用滤波器隔开。

协议开放性及厂商兼容性：DALI KNX 等都是开放的协议，各家符合认证的产品互联互通性很好，底层芯片有多种选择不易受限，因此得到了世界上很多用户和厂商的选择支持。PLC暂时在这方面还存在些问题，因此选择这条技术路线可能会存在些风险，各厂家可能需要多技术路线作后备以防不测。

5 结论

PLC团体标准提供了相当强大的功能，尽管可能在某些方面尚存在些问题。它为智能照明控制提供了新的技术路线，也是国产行业标准崛起的体现。