物聯網寬帶PLC家用電器方案

方案介紹

物聯網寬帶PLC電力線載波通信家電是將家電本身的一些信息，通過電力線發送到PLC網關，PLC網關再將家電發送的數據信息通過互聯網發送到所需要的地方，同時又可以將用戶的需求通過互聯網發送PLC網關，PLC網關將需求命令數據通過電力線發送給PLC家電，家電按照用戶的需求指令進行運行、反饋運行信息等。

圖1 物聯網寬帶PLC家電物理構成圖

物聯網寬帶PLC家電系統網絡包括感知層、PLC通訊層、網絡層、應用層等幾部分。其物理構成如圖1所示。其中冰箱、熱水器等接收用戶可以通過手機、 PAD、電腦等發送查詢、控制命令，同時冰箱、熱水器等家電再根據用戶的指令信息返同用戶需要的數據給手機、PAD、電腦等設備。由于網關及家電都內置 PLC模塊，故此處的數據傳輸不再通過無線或網線等傳統方式，而是直接采用電力線進行傳輸并且由于采用了PLC通訊，熱水器、空調等家電設備還可以設計成顯示板與整機分離，即方便操作，又能給用戶帶來舒適的體驗。

PCL系統設計

基于PLC物聯網家電的特點，最核心技術是PLC通訊的技術，本設計實現方案主要從以下幾方面來講述在物聯網家電中如何通過PLC通訊實現家電的互聯互通。

3.1 物聯網PLC家電硬件構成

物聯網家電硬件構成

本文所指的物聯網PLC家電指由普通家電加上PLC通訊模塊構成的家電，其硬件構成如圖2所示。電視、冰箱等可將PLC通訊模塊直接整合在家電的內部，而空洞、熱水器等除了將PLC通訊模塊整合在整機內之外，還可將操作顯示板與整機進行分離，操作顯示板內部也嵌入PLC通訊模塊，這樣就可以實現整機與操作顯示板雖然是分離的，但通過PLC通訊仍然能保持顯示板與整機的數據交換。

一般整機內的PLC通訊模塊既負責與其對應的顯示板進行通訊，也負責與PLC終端網關進行通訊。

網絡交換處理IC負責接收INT6400傳來的數據并將數據轉化后傳給RJ45接口。業務處理IC根據通訊協議解析接收到的數據，并將數據通過SPI接口或UART接口直接傳送給家電PCB板上的MCU。同時將家電傳來的數據打包后發送給INT6400。具體模塊構成框圖如圖3所示?！?/p>

圖3 PLC通訊模塊構成框圖

3.2 物聯網PLC家電通訊關鍵技術軟件實現

(1)PLC通訊整體介紹

PLC通訊是指利用專用調制解調技術對信號進行調制，然后把信號加載到電力線中，在接收方通過對加載信號的解調，獲取傳輸數據進行通信的技術。

目前PLC通訊按通訊的帶寬可分為窄帶電力線載波通訊、寬帶電力線載波通訊：

由于窄帶電力線通訊技術的調制方式、載波頻寬限制，導致傳輸速度、抗同相干擾性等功能并不適合載波家電的需求。

寬帶電力線載波通訊技術一般采用一種多載波調制技術，即正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM)技術。其技術實現為，在頻域內將指配的信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的子數據流，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各個子載波相互正交，并行傳輸。其技術特點是傳輸速度快，理論傳輸速度可達200 M，抗干擾能力強。所以根據以上的這些特點，寬帶PLC通訊技術較適合應用于以電力貓為代表的室內因特網接入、視頻監控等對實時性要求較高的領域，同時也適合于物聯網家電對通訊速率、抗干擾性等特性的需求。

(2)如何實現互聯互通

電力線上信號的傳輸協議采用TCP/IP協議，采用網絡密鑰認證的機制，不同的家電之間進行信息傳輸時，只要遵從相同的通訊協議，采用相同的網絡密鑰即可實現。

(3)如何實現自動組網

當有新的設備接入時，通過兩種方式將新家電接入：

第一種方式，在新設備及終端服務設備上都留有有線接口，當將兩者通過信號線連接到一起時，新設備自動發送注冊指令，終端服務設備接收到注冊指令之后，自動將網絡密鑰、MAC地址、設備協議等信息發送給新設備，之后新設備再與組內設備通訊時，采用終端服務設備發送給其的設備協議進行通訊，從而完成新設備的自動組網。

第二種方式，按下終端服務設備上的注冊按鍵，終端服務設備只接收注冊協議。新設備通電之后，按下注冊按鍵，新設備自動發送注冊信息到電力線，同時監控終端服務設備回傳的注冊確認信息，雙方確認注冊信息正確之后，即完成自動組網處理。將按鍵恢復初始狀態，兩者也采用原有系統的網絡密鑰進行正常通訊。

3.3 PLC通訊現場實施中問題的解決方案

(1)同相干擾的解決方案

當電力線干擾比較嚴重或者電力線上存在其它PLC設備時，有時會導致對傳輸信號的干擾，所以在軟硬件方面需要采取一定的濾波措施，以濾除線路上的干擾。

由于INT6400子載波信號傳輸頻率在2～30 MHz之間，屬于高頻信號，所以硬件采用能夠濾除低頻信號的濾波電路，使高頻信號不衰減。

在軟件方面電力線載波通訊將高頻信號采用OFDM技術耦合到電力線，子載波會根據線路的衰減情況，自動選擇信號的調制方式，其中包括：QAM、QPSK、 BPSK、ROBO等幾種方式，從而保證了傳輸時的抗干擾性，且提供了足夠的物聯家電使用帶寬網。同時同組載波設備采用相同的網絡密鑰，載波模塊檢驗網絡密鑰非法時，自動丟棄收到的數據包，而相同時才對數據包進行處理。通信協議中還帶有MAC地址，同一組設備中某一設備根據MAC地址判定是否為發給自己的數據，組內設備僅處理發給自己的數據包。

(2)跨相耦合的解決方案

通訊數據在電力線傳輸的過程中，信號在經過某些空氣開關等設備之后會有很大的衰減，信息傳輸不穩定，數字家電的運行穩定性受到嚴重影響。當信號分屬電力線上的A、B、C三相時，往往更是導致3相間的信號無法傳輸。