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物联网宽带PLC家用电器方案

文章出处:家用电器方案 网责任编辑: 芯程科技 阅读量: 发表时间:2020-03-23 14:48:30


方案介绍

物联网宽带PLC电力线载波通信家电是将家电本身的一些信息,通过电力线发送到PLC网关,PLC网关再将家电发送的数据信息通过互联网发送到所需要的地方,同时又可以将用户的需求通过互联网发送PLC网关,PLC网关将需求命令数据通过电力线发送给PLC家电,家电按照用户的需求指令进行运行、反馈运行信息等。

物联网宽带PLC家用电器方案

图1 物联网宽带PLC家电物理构成图

物联网宽带PLC家电系统网络包括感知层、PLC通讯层、网络层、应用层等几部分。其物理构成如图1所示。其中冰箱、热水器等接收用户可以通过手机、 PAD、电脑等发送查询、控制命令,同时冰箱、热水器等家电再根据用户的指令信息返同用户需要的数据给手机、PAD、电脑等设备。由于网关及家电都内置 PLC模块,故此处的数据传输不再通过无线或网线等传统方式,而是直接采用电力线进行传输并且由于采用了PLC通讯,热水器、空调等家电设备还可以设计成显示板与整机分离,即方便操作,又能给用户带来舒适的体验。


PCL系统设计

基于PLC物联网家电的特点,最核心技术是PLC通讯的技术,本设计实现方案主要从以下几方面来讲述在物联网家电中如何通过PLC通讯实现家电的互联互通。

3.1 物联网PLC家电硬件构成

物联网家电硬件构成

本文所指的物联网PLC家电指由普通家电加上PLC通讯模块构成的家电,其硬件构成如图2所示。电视、冰箱等可将PLC通讯模块直接整合在家电的内部,而空洞、热水器等除了将PLC通讯模块整合在整机内之外,还可将操作显示板与整机进行分离,操作显示板内部也嵌入PLC通讯模块,这样就可以实现整机与操作显示板虽然是分离的,但通过PLC通讯仍然能保持显示板与整机的数据交换。

一般整机内的PLC通讯模块既负责与其对应的显示板进行通讯,也负责与PLC终端网关进行通讯。

网络交换处理IC负责接收INT6400传来的数据并将数据转化后传给RJ45接口。业务处理IC根据通讯协议解析接收到的数据,并将数据通过SPI接口或UART接口直接传送给家电PCB板上的MCU。同时将家电传来的数据打包后发送给INT6400。具体模块构成框图如图3所示。 

物联网宽带PLC家用电器方案

图3 PLC通讯模块构成框图

3.2 物联网PLC家电通讯关键技术软件实现

(1)PLC通讯整体介绍

PLC通讯是指利用专用调制解调技术对信号进行调制,然后把信号加载到电力线中,在接收方通过对加载信号的解调,获取传输数据进行通信的技术。

目前PLC通讯按通讯的带宽可分为窄带电力线载波通讯、宽带电力线载波通讯:

由于窄带电力线通讯技术的调制方式、载波频宽限制,导致传输速度、抗同相干扰性等功能并不适合载波家电的需求。

宽带电力线载波通讯技术一般采用一种多载波调制技术,即正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM)技术。其技术实现为,在频域内将指配的信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的子数据流,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各个子载波相互正交,并行传输。其技术特点是传输速度快,理论传输速度可达200 M,抗干扰能力强。所以根据以上的这些特点,宽带PLC通讯技术较适合应用于以电力猫为代表的室内因特网接入、视频监控等对实时性要求较高的领域,同时也适合于物联网家电对通讯速率、抗干扰性等特性的需求。

(2)如何实现互联互通

电力线上信号的传输协议采用TCP/IP协议,采用网络密钥认证的机制,不同的家电之间进行信息传输时,只要遵从相同的通讯协议,采用相同的网络密钥即可实现。

(3)如何实现自动组网

当有新的设备接入时,通过两种方式将新家电接入:

第一种方式,在新设备及终端服务设备上都留有有线接口,当将两者通过信号线连接到一起时,新设备自动发送注册指令,终端服务设备接收到注册指令之后,自动将网络密钥、MAC地址、设备协议等信息发送给新设备,之后新设备再与组内设备通讯时,采用终端服务设备发送给其的设备协议进行通讯,从而完成新设备的自动组网。

第二种方式,按下终端服务设备上的注册按键,终端服务设备只接收注册协议。新设备通电之后,按下注册按键,新设备自动发送注册信息到电力线,同时监控终端服务设备回传的注册确认信息,双方确认注册信息正确之后,即完成自动组网处理。将按键恢复初始状态,两者也采用原有系统的网络密钥进行正常通讯。

3.3 PLC通讯现场实施中问题的解决方案

(1)同相干扰的解决方案

当电力线干扰比较严重或者电力线上存在其它PLC设备时,有时会导致对传输信号的干扰,所以在软硬件方面需要采取一定的滤波措施,以滤除线路上的干扰。

由于INT6400子载波信号传输频率在2~30 MHz之间,属于高频信号,所以硬件采用能够滤除低频信号的滤波电路,使高频信号不衰减。

在软件方面电力线载波通讯将高频信号采用OFDM技术耦合到电力线,子载波会根据线路的衰减情况,自动选择信号的调制方式,其中包括:QAM、QPSK、 BPSK、ROBO等几种方式,从而保证了传输时的抗干扰性,且提供了足够的物联家电使用带宽网。同时同组载波设备采用相同的网络密钥,载波模块检验网络密钥非法时,自动丢弃收到的数据包,而相同时才对数据包进行处理。通信协议中还带有MAC地址,同一组设备中某一设备根据MAC地址判定是否为发给自己的数据,组内设备仅处理发给自己的数据包。

(2)跨相耦合的解决方案

通讯数据在电力线传输的过程中,信号在经过某些空气开关等设备之后会有很大的衰减,信息传输不稳定,数字家电的运行稳定性受到严重影响。当信号分属电力线上的A、B、C三相时,往往更是导致3相间的信号无法传输。

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