淺談電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

蘇為斌　孔艷春　鐘賽君

摘要 縱觀物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展歷程，電力載波通信技術(shù)（PLC）鮮為人知，智能家居是近年來火熱的話題，其衍生的各大技術(shù)大多取得了跨越式發(fā)展。通信技術(shù)的更新?lián)Q代促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，比如4G、5G、WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等無線通信標(biāo)準(zhǔn)逐漸在我們身邊普及。在當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)混戰(zhàn)的背景下，電力載波通信正悄然挺進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。事實(shí)上，電力載波發(fā)展由來已久，技術(shù)亦趨近成熟，電力載波抄表網(wǎng)絡(luò)幾乎覆蓋全國，如若能有效利用電力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)，那么設(shè)備與設(shè)備的組網(wǎng)無非就是插上電源，構(gòu)建智能家居物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)顯然要方便得多。

關(guān)鍵詞 電力載波通信；物聯(lián)網(wǎng)；智能家居

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào)2095—6363（2016）13—0083—02

物聯(lián)網(wǎng)（IOT），其英文名稱是：“Internet of things”。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物與物之間實(shí)現(xiàn)通信的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)源于互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展；其二，物聯(lián)網(wǎng)延伸到物與物之間，存在著機(jī)器與機(jī)器之間不為人知的信息交互和數(shù)據(jù)過渡。因此物聯(lián)網(wǎng)一方面應(yīng)與萬維網(wǎng)（Internet）聯(lián)網(wǎng)；另一方面又要實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的相互管理，即M2M（Machine to Machine），顯然電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)滿足并具備這兩個(gè)條件。

1電力載波通信的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)電力載波芯片研發(fā)介紹

在電力載波抄表應(yīng)用中，由于電度、用戶數(shù)據(jù)等信息量較小，對(duì)通信線路帶寬要求不高，有著廣泛的前景。所以中速率的數(shù)據(jù)傳輸芯片研發(fā)，成為電力載波抄表的主要應(yīng)用，已經(jīng)普及到了各級(jí)地方電力網(wǎng)絡(luò)。主要型號(hào)有青島鼎信TCC081系列、深圳力合微LME2200系列、北京福星曉程PL4000系列等，與國外同等芯片相比，具有造價(jià)低廉、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1.2國內(nèi)電力載波通信面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

國內(nèi)載波芯片在電網(wǎng)行業(yè)中前景可觀，但若把該類芯片發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用芯片，那么載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的制訂將成為制約其發(fā)展的主要核心問題。事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化之路任重道遠(yuǎn)，軟件和中間件是物聯(lián)網(wǎng)的靈魂和關(guān)鍵。電力載波通信構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多行業(yè)交叉的系統(tǒng)工程，各廠商的不同的接口標(biāo)準(zhǔn)與通信協(xié)議導(dǎo)致不同設(shè)備之間的互連、互通無法實(shí)現(xiàn)，目前該類芯片主要應(yīng)用于電力載波抄表。比如，TCC081系列芯片載波頻段是401kHz～441kHz，LME2200C的載波頻段是60kHz～150kHz，PL4000X采用120kHz載波頻段。因此，建立各廠商之間共同遵循的標(biāo)準(zhǔn)與通信協(xié)議，是電力載波通信技術(shù)推廣至物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)面臨的重要挑戰(zhàn)。

我國在“十二五”期間提出了物聯(lián)網(wǎng)概念，但經(jīng)過5年發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)熱并沒有把智能家居概念廣泛推廣開來，眾多廠商以Zigbee、WiFi無線方式推廣自己的產(chǎn)品，卻忽略了用戶體驗(yàn)。再看電力載波市場，其最大的客戶應(yīng)用主要是電網(wǎng)公司，通過載波抄表方式成功替代了人工抄表，大幅提高了效率，節(jié)省了很大的人力成本開支，但是在智能家電、工業(yè)場合幾乎沒有應(yīng)用。若是我們從用戶體驗(yàn)角度來思考，不管哪一種家電設(shè)備，只要通上電便可自動(dòng)加入智能家居控制陣營，不用去為某一個(gè)設(shè)備單獨(dú)配置地址，不用有太復(fù)雜而讓用戶分不清的操作，在不改變傳統(tǒng)家居操作模式的前提下，低成本地植入電力載波通信芯片，構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，那么電力載波通信物聯(lián)終端架構(gòu)的推廣與應(yīng)用將迎來前所未有的機(jī)遇。

2電力載波物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)想

2.1實(shí)現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)架構(gòu)

由于電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，存在著不同廠家，不同型號(hào)的各類通信模塊，所以我們必須構(gòu)造一中間環(huán)節(jié)，進(jìn)行通信的匯總，并聯(lián)入Internet。如圖1所示，ARM嵌入式系統(tǒng)（或中科龍芯Mipsel架構(gòu)），經(jīng)過電力線可以與各種智能家居設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

由圖l可以看出，“ARM嵌入式系統(tǒng)”中間環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)電力載波通信管理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然也提出了一系列難題，即系統(tǒng)由誰來建設(shè)，誰來運(yùn)維，誰來推廣，如果把該中間環(huán)節(jié)交給用戶自己管理，則存在著設(shè)備維護(hù)難度大、設(shè)備接入有沖突、運(yùn)作成本高等難題；如果把該中間環(huán)節(jié)交由創(chuàng)新型中小微企業(yè)運(yùn)作，則面臨大量的家電設(shè)備不支持電力載波通信，接入標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，各自為政，重復(fù)開發(fā)的問題；如果把該中間環(huán)節(jié)交由大型企業(yè)運(yùn)作，則面臨創(chuàng)新力不足，資源過度壟斷的問題，就像現(xiàn)在的電力載波抄表，只能抄表，沒有高效的發(fā)揮該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，形成了極大的資源浪費(fèi)。

2.2實(shí)現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的組織架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架設(shè)，不管是個(gè)人還是企業(yè)均難以實(shí)現(xiàn)，加之現(xiàn)有的電力系統(tǒng)，存在著國電、南網(wǎng)各類載波抄表系統(tǒng)，如果把電力載波通信這一“肥沃土壤”開放，必將對(duì)電度費(fèi)用管理形成威脅，損害國家利益。

面對(duì)這一系列矛盾，實(shí)現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，不但應(yīng)當(dāng)兼顧國電、南網(wǎng)企業(yè)利益，避開或禁用該類抄表載波頻段，而且應(yīng)當(dāng)由政府牽頭，成立國家級(jí)“電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”標(biāo)準(zhǔn)制訂組織，邀請(qǐng)各大科研機(jī)構(gòu)、院校、企業(yè)共同制訂統(tǒng)一的電力載波通信標(biāo)準(zhǔn)體系，設(shè)計(jì)和研發(fā)該類電力載波通信芯片，并對(duì)社會(huì)開放。該項(xiàng)技術(shù)若得以建立和推廣，將對(duì)創(chuàng)新型中小微企業(yè)提供一個(gè)嵌入式開發(fā)平臺(tái)，這類企業(yè)可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提供相應(yīng)的區(qū)域化服務(wù)，用戶既不用自己開通網(wǎng)絡(luò)，也不用關(guān)心設(shè)備接入問題，只須給設(shè)備通上電就能實(shí)現(xiàn)智能控制，有效地降低智能家居設(shè)備的使用成本；對(duì)于家電制造企業(yè)來說，依照該標(biāo)準(zhǔn)，植入低成本的載波通信芯片，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信，即可充分了解自己產(chǎn)品的運(yùn)營信息、故障信息，最大限度地做好產(chǎn)品售后服務(wù)，實(shí)現(xiàn)以服務(wù)創(chuàng)造效益，而非一味的依靠產(chǎn)量、價(jià)格惡性競爭。

2.3實(shí)現(xiàn)電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

在智能電網(wǎng)中，我國電力載波抄表系統(tǒng)主要采用DLT/645-2007通信協(xié)議，支持主從問答式半雙工通信，電力載波通信物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制訂，可充分參考該協(xié)議。該協(xié)議在從站地址上提供了A0～A5共6個(gè)字節(jié)，理論上同一總線網(wǎng)段內(nèi)可支持設(shè)備接入數(shù)量達(dá)到281萬億個(gè)以上，完全可滿足廠商代碼分配、家庭區(qū)域碼劃分、各從站地址碼劃分等要求。

電力載波通信屬于總線式載波通信架構(gòu)，不同于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)?？偩€型通信是有主、從之分的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，主站正確識(shí)別從站以及從站的接入自動(dòng)管理是總線型通信的技術(shù)難題。對(duì)于總線型通信而言，從站設(shè)備必須保持靜默狀態(tài)，隨時(shí)等候主站的輪詢?cè)L問，當(dāng)主站輪詢到它時(shí)，才可發(fā)送數(shù)據(jù)。主站輪詢從站獲取數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)包含詢問從站需求、滿足從站需求、獲取從站常規(guī)數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令、結(jié)束訪問等五項(xiàng)主要內(nèi)容；從站應(yīng)當(dāng)劃分需求寄存器、常規(guī)數(shù)據(jù)寄存器兩種內(nèi)存空間以供主站訪問。

總線型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的第二個(gè)難題就是從站地址的自動(dòng)分配，這關(guān)系到設(shè)備插上電是否能夠自動(dòng)接入物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。我們可以重新構(gòu)建新的電力載波廣播信道，以不同于數(shù)據(jù)采集控制信道的工作頻段向總線內(nèi)發(fā)送廣播信號(hào)，廣播信號(hào)中包含從站地址的分配序列，那么新接入智能家居設(shè)備，便可根據(jù)該分配序列自動(dòng)遞增分配地址，然后通過數(shù)據(jù)采集信道頻段告知主站。主站為了發(fā)現(xiàn)新加入的從站，在每次輪詢完所有子站后，都應(yīng)當(dāng)嘗試自動(dòng)探索新加入的從站。從站地址在分配完成后應(yīng)當(dāng)具備掉電保存功能。

3結(jié)論

盡管基于電力載波通信的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)目前還沒有完全實(shí)現(xiàn)，但我們相信，通過規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)制訂和實(shí)施，通過統(tǒng)一的部署和不斷的引入新技術(shù)、新思維，一定可以低成本、高效率地實(shí)現(xiàn)基于電力載波通信的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本文本著拋磚引玉原則提出我們的想法和見解，相信該技術(shù)的成功推廣必將成為重要的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。endprint