摘 要：實(shí)現(xiàn)家居智能化，離不開(kāi)一個(gè)易安裝、便于控制的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)電力線通信技術(shù)的特點(diǎn)及利用電力線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題的分析，提出一種利用電力線通信技術(shù)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)的解決方案，采用LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，以分布控制、集中管理為控制模式。該方案具有良好的可靠性、較高的靈活性和可擴(kuò)展性。
關(guān)鍵詞：電力線通信技術(shù)；智能家居網(wǎng)絡(luò)；OFDM；LonWorks
中圖分類號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1612203
Intelligent Home Network System Based on LonWorks
HUANG Xuhong
(Fujian University of Technology,Fuzhou,350014,China)
Abstract：Home intellectualization needs a flexible and sensitive control network.After analysing the characteristic of power line communication and discussing some key issues in the intelligent home network based on PLC,a solution of the intelligent home network based on power line communication which controls distributing and manages convergent with the LonWorks technology is proposed.The scheme has favorable dependability,agility and expansibility.
Keywords：power line communication technology;intelligent home network;OFDM;LonWorks
近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們的家居環(huán)境向智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展將成為一種潮流。智能家居系統(tǒng)綜合家庭安全防范系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、家庭通信系統(tǒng)和家庭文化系統(tǒng)，為人們提供一個(gè)安全、舒適的生活空間。要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)智能家居系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的支持必不可少�，F(xiàn)代家庭都敷設(shè)了電源線，電源插座隨處可見(jiàn)，因此利用電力線實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)是最方便的。
1 電力線通信技術(shù)概述
電力線通信技術(shù)（PLC）是把載有信息的高頻加載于電流，用電力線傳輸，通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電流中分離出來(lái)，傳送到計(jì)算機(jī)或其他信息家電，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞的一種通信方式。
電力線通信的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)20年代初期， 20世紀(jì)末已在世界上許多國(guó)家的電力系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。進(jìn)人21世紀(jì)后，隨著PLC芯片制造技術(shù)的迅速發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展速度明顯加快，特別在家庭自動(dòng)化和寬帶接入方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前PLC技術(shù)已經(jīng)形成寬帶接入型與家庭網(wǎng)絡(luò)型2種發(fā)展模式，寬帶接入型主要提供自配電變壓器或樓邊至用戶家庭的PLC解決方案，以解決寬帶接入的問(wèn)題。而家庭網(wǎng)絡(luò)型是指通過(guò)電力線在用戶家中組建高速LAN。這種模式的PLC只提供家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，即通過(guò)家庭的內(nèi)部的普通電力線，進(jìn)行組網(wǎng)連接家庭內(nèi)部局域網(wǎng)。以上這2種模式既相互溝通，同時(shí)也各側(cè)重于電力線聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不同側(cè)面。
電力線通信技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：信息家電可以通過(guò)電力線進(jìn)行通信，無(wú)需另外布線，利用電源線實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)成本較低；電力網(wǎng)是覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)，PLC技術(shù)可以輕松地滲透到每個(gè)家庭，其應(yīng)用范圍廣泛；網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)是電源插座，電源插座隨處可見(jiàn)，數(shù)目較多且接插方便；不需要撥號(hào)，接入電源插座即接入網(wǎng)絡(luò)；電力線載波通信較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、家居監(jiān)控等功能。因此利用電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)最為方便。
2 電力線智能家居網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題
2.1 載波技術(shù)
由于低壓電力線載波信道的傳輸特性的特點(diǎn)是具有時(shí)變性、衰減較大，而且各種干擾噪聲復(fù)雜。因此，采用抗干擾性強(qiáng)的載波技術(shù)，是電力線通信技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵。為了提高電力線網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，電力線通信大都采用正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（OFDM）進(jìn)行調(diào)制。
正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（OFDM）是一種多載波技術(shù)，其基本思想是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為N個(gè)并行數(shù)據(jù)分配給N個(gè)不同的正交子載波，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸。這樣既可以得到很高的數(shù)據(jù)傳送速率，又能夠有效地抑制碼間干擾［1］。OFDM通常利用IDFT (離散傅里葉逆變換) 和DFT (離散傅里葉變換) 或者IFFT 和FFT基帶調(diào)制實(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)用發(fā)送與接收，由于子載波空間相互正交，相互重疊的子載波不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。
應(yīng)用OFDM技術(shù)于電力線通信中具有明顯的優(yōu)越性。首先，OFDM系統(tǒng)中，其頻譜利用率理論上可以達(dá)到Shannon 信息論的極限。因此，OFDM頻帶利用率高。其次，OFDM抗干擾性強(qiáng)。由于在電力線信道中各種干擾噪聲復(fù)雜，一是存在著多徑干擾；二是由于電力線信道是一種時(shí)變衰落信道，存在著頻率選擇性衰落；此外，還有其他信道噪聲。OFDM 將高速串行數(shù)據(jù)分割后，其碼元速率為R串/ N，周期延長(zhǎng)了N倍。當(dāng)數(shù)字符號(hào)周期大于最大的延遲時(shí)間就可以有效地減弱多徑傳播的影響。對(duì)于選擇性衰落，由于在OFDM中并行數(shù)據(jù)碼元周期一般大于深衰落的延續(xù)時(shí)間，并行碼元只是輕微的受損，通常加入糾錯(cuò)編碼就可以恢復(fù)。OFDM對(duì)電力線信道噪聲干擾的克服是通過(guò)開(kāi)啟或關(guān)閉子載波來(lái)重新分配子信道實(shí)現(xiàn)，因而數(shù)據(jù)可以僅在能夠傳輸?shù)念l譜內(nèi)傳輸，從而保持合適的誤碼率。因此，OFDM技術(shù)可以有效利用現(xiàn)有低壓電力線實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字通信。
除了OFDM技術(shù)以外，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)抗干擾和抗多徑效應(yīng)也較強(qiáng)。因此，也有一些廠家采用這種技術(shù)開(kāi)發(fā)電力通信產(chǎn)品。擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)是將待傳送的信息數(shù)據(jù)用偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：Spreading Sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端則采用同樣的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。根據(jù)香農(nóng)公式，對(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可用增大傳輸帶寬獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)展頻譜技術(shù)正是利用這一原理。應(yīng)用擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)于電力線通信中也有其優(yōu)越性。首先，由于擴(kuò)頻通信電磁輻射較低，對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾小。其次，擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占有的帶寬相對(duì)較寬， 而接收端通過(guò)窄帶濾波技術(shù)提取有用信號(hào)時(shí)，各種干擾信號(hào)只有很微弱的成份，信號(hào)的信噪比很高、抗干擾性增強(qiáng)。再者，擴(kuò)頻通信可以實(shí)現(xiàn)碼分多址。擴(kuò)頻調(diào)制和OFDM技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，在電力線通信中選取何種載波技術(shù)應(yīng)根據(jù)不同系統(tǒng)的要求來(lái)考慮。對(duì)于1 Mb/s左右的系統(tǒng)，應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)就可以完全滿足傳輸容量的要求，且其設(shè)備簡(jiǎn)單； OFDM雖然具有更高的調(diào)制效率，但是設(shè)備復(fù)雜，要求的協(xié)議復(fù)雜，擴(kuò)頻調(diào)制方式較為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)傳輸速率要求在10 Mb/s 及以上時(shí)，擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難。而對(duì)于相同的傳輸速率要求，OFDM技術(shù)采用并行傳輸，碼元周期較長(zhǎng)，具有較好的抵抗碼間串?dāng)_的能力，因此在10 Mb/s及以上傳輸速率宜采用OFDM調(diào)制技術(shù)。
2.2 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)
要組建一個(gè)控制靈活、高效率、價(jià)格適宜的家居智能網(wǎng)絡(luò)，選擇一個(gè)適宜的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是關(guān)鍵，而網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的核心是家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。目前，家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有許多種，較為成熟的有X10，CEBus和LonWorks等。X10是最早應(yīng)用于家庭設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的。 X10的控制模式為主從控制模式，信息是單向傳輸?shù)模瑥目攸c(diǎn)只能接收主控點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息，不能反饋，主節(jié)點(diǎn)無(wú)法得知從節(jié)點(diǎn)的狀況，無(wú)法達(dá)到真正的智能化。除此之外， X10的系統(tǒng)信息的傳輸較慢（傳送一個(gè)指令需時(shí)0.883 s），抗干擾性能差，可用節(jié)點(diǎn)數(shù)為256個(gè)，只能用于普通家庭中的簡(jiǎn)單控制和專項(xiàng)控制。但X10系統(tǒng)價(jià)格十分低廉，而且安裝使用較方便，所以，至今仍有生產(chǎn)和銷售。如果只是組建一個(gè)簡(jiǎn)單的家居智能網(wǎng)絡(luò)，可以考慮X10技術(shù)。
為了解決X10技術(shù)上的不足，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)推出出了CEBus標(biāo)準(zhǔn)。CEBus是一個(gè)較完整的開(kāi)放系統(tǒng)，它定義了在幾乎所有傳送媒體（Medium）中信號(hào)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并要求控制信號(hào)在所有的媒體中都要以相同的傳送速度（10 kb/S）傳送，從而有效地避免信號(hào)傳輸中可能出現(xiàn)的"瓶頸"問(wèn)題，任何符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)的電器產(chǎn)品都可以直接互連及通信，其尋址能力超過(guò)40億。CEBus的抗干擾能力比X10強(qiáng)，控制功能亦十分豐富。但由于CEBus接口技術(shù)比較復(fù)雜，價(jià)錢較貴，因此使用CEBus產(chǎn)品的用戶相對(duì)較少，CEBus在中國(guó)的應(yīng)用亦不多見(jiàn)。
LonWorks是由美國(guó)Echelon公司于1990年12月開(kāi)發(fā)成功的全分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1997年8月，LonWorks被EIA的集成家庭系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)(Integrated Home Systems Technical Committee)定為家庭網(wǎng)絡(luò)（home networking）的標(biāo)準(zhǔn)。LonWorks完全支持OSI的七層協(xié)議，具有良好的開(kāi)放性、互操作性，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成以分布控制為控制模式。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)家電來(lái)說(shuō)，只需要將已定義的網(wǎng)絡(luò)家電之間信息傳遞的語(yǔ)法和語(yǔ)義標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)后，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠商之間產(chǎn)品的相互兼容。 LonWorks的分布式架構(gòu)使其具有獨(dú)立性，部分節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓。LonWorks的傳輸速率為10 kb/s（電力線），在單一網(wǎng)絡(luò)中的可用節(jié)點(diǎn)數(shù)為32 000個(gè)以上，抗干擾能力很強(qiáng)，其可靠度是這3種網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)最高的（約99.8%）。 在應(yīng)用上，LonWorks取得比較好的成績(jī)，特別在信息采集和控制方面已成為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，LonWorks具有完善的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和工具，網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，使得網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，節(jié)省了大量設(shè)計(jì)工作量，使開(kāi)發(fā)周期大大縮短。
雖然，LonWorks產(chǎn)品的價(jià)格比與X10相比較高，但X10的主從控制模式使之仍需一臺(tái)電腦集中管理并另外拉信號(hào)線加以連接才能控制，造成二次施工的困擾，更破壞了建筑物本身的美觀，而 LonWorks的分布式架構(gòu)則使之免除了這些問(wèn)題，每一個(gè)控制裝置都可以有隨插即用的功能，減免了二次拉線造成的成本，并避免了重新布線的不便。再者，隨著LonWorks將來(lái)的推廣，LonWorks產(chǎn)品的價(jià)格也會(huì)下降。此外，LonWorks可擴(kuò)展性強(qiáng)，在將來(lái)對(duì)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，可充分利用原有資源，降低升級(jí)的復(fù)雜性及成本。
上述3類家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是各有其特點(diǎn)，組網(wǎng)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。但如果要組建一個(gè)統(tǒng)一的、操作性強(qiáng)、功能完善、可靠性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)的家居智能網(wǎng)絡(luò)，采用LonWorks技術(shù)是一個(gè)明智的選擇。
3 電力線智能家居網(wǎng)絡(luò)的組成
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能家居網(wǎng)絡(luò)將會(huì)向著高度智能化、高度靈活性和高度可靠性的方向發(fā)展。因此，本文以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)，采用電力線載波技術(shù)來(lái)構(gòu)建家居智能網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)解決方案如圖1所示。
該網(wǎng)絡(luò)以分布控制、集中管理為控制模式，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可依靠網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成自治的控制功能，通信媒體采用電力線。主控節(jié)點(diǎn)與家用電腦相連，可控制功能節(jié)點(diǎn)的功能配置并監(jiān)控功能節(jié)點(diǎn)的狀況，并且還負(fù)責(zé)與Internet的通信。通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)可查看電表、水表、煤氣表的讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)3表的集抄。功能節(jié)點(diǎn)可接收從電力線傳來(lái)的控制信息，完成自治的控制功能，同時(shí)反饋家電的一些狀態(tài)信息。
主控節(jié)點(diǎn)由i.LON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和與接入Internet的PC機(jī)組成。i.LON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是Echelon與Cisco公司合作開(kāi)發(fā)的，能夠無(wú)縫隙地將數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)絡(luò)鏈接，從而使IP網(wǎng)絡(luò)成為L(zhǎng)onWorks網(wǎng)絡(luò)的延伸，LonWorks網(wǎng)絡(luò)也成為了IP網(wǎng)絡(luò)的一部分，這樣LonWorks網(wǎng)絡(luò)的所有功能特性都能夠在IP 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)。i.LON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器還具有一個(gè)可編程集中信息包的特性，從而調(diào)節(jié)發(fā)往IP網(wǎng)絡(luò)上，控制信息包的數(shù)率，以保證IP網(wǎng)絡(luò)不會(huì)有過(guò)多與控制有關(guān)的信息包。i.LON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器具有集成式Web 服務(wù)器和訪問(wèn)保護(hù)功能，被授權(quán)者能夠使用PC或筆記本電腦中的Internet Explorer 或Netscape Navigator 本地或遠(yuǎn)程觀察和控制家居智能網(wǎng)絡(luò)［2］。功能節(jié)點(diǎn)由電力線網(wǎng)關(guān)、信息家用電器組成。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，電力網(wǎng)關(guān)是一個(gè)重要的部件，它用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)送與接收。
電力網(wǎng)關(guān)由基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的LonTalk網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和神經(jīng)芯片、電力線載波模塊和耦合電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。LonTalk網(wǎng)絡(luò)協(xié)議固化在神經(jīng)芯片中，用以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接。電力線載波模塊用于信道編碼、調(diào)制解調(diào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，采用的是正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（OFDM）。耦合電路用于隔離電力線上的高壓，過(guò)濾50 Hz電網(wǎng)頻率的干擾。
神經(jīng)元芯片是一個(gè)帶有多個(gè)處理器、讀寫/只讀存儲(chǔ)器（RAM和ROM）以及通信和I/O接口的單芯片系統(tǒng)，它專門為低成本控制設(shè)備提供智能化和聯(lián)網(wǎng)能力而設(shè)計(jì)。它包括3個(gè)能夠提供通信和應(yīng)用處理能力的8位處理器，兩個(gè)用于執(zhí)行LonWorks協(xié)議，第三個(gè)用于設(shè)備的應(yīng)用程序［2］。所以，這個(gè)芯片即有網(wǎng)絡(luò)通信處理功能，又有應(yīng)用程序處理功能，這意味著對(duì)大部分LonWorks設(shè)備而言，只需編寫運(yùn)行在神經(jīng)元芯片上的應(yīng)用程序代碼即可實(shí)現(xiàn)對(duì)與之連接的家用電器的控制從而能夠減少開(kāi)發(fā)成本。只讀存儲(chǔ)器包含一個(gè)操作系統(tǒng)、LonTalk協(xié)議和I/O功能庫(kù)。LonTalk網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［3］是一個(gè)與OSI七層參考模型兼容的以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的對(duì)等的通信協(xié)議，其開(kāi)放性和客戶操作性保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、可持續(xù)的發(fā)展和建設(shè)。
電力線載波模塊采用DSP芯片為核心，配備與其適配的電源、復(fù)位以及各種通信接口等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信道編碼、OFDM調(diào)制解調(diào)。耦合電路采用一個(gè)電容器和一個(gè)電感器組成高通濾波器。該高通濾波器可以衰減50 Hz的電網(wǎng)噪聲，通過(guò)高頻的傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工頻與信號(hào)的分離。另外，由于LonWorks產(chǎn)品的價(jià)格比較高，在組網(wǎng)時(shí)要注意利用LonWorks 互操作性，盡量共享傳感器或控制設(shè)備，降低它們的數(shù)量，降低成本。
4 結(jié) 語(yǔ)
網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的技術(shù)革命為家居智能網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力，為了將家居智能網(wǎng)絡(luò)普及化，深入地研究和開(kāi)發(fā)家居智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是必要的。本文給出的一種基于LonWorks技術(shù)的電力線智能家居網(wǎng)絡(luò)解決方案。具有可靠性強(qiáng)、靈活性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能充分發(fā)揮LonWorks技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制功能。
參 考 文 獻(xiàn)
�。�1］姚雪峰， 涂麗琴.CDMA 與OFDM 技術(shù)在寬帶電力線通信中的應(yīng)用比較［J］.桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，（5）：510.
�。�2］Echelon Corporation.Echelon LonWorks Products\.
［3］Echelon Corporation.LonTalk Protocol\.
�。�4］趙強(qiáng).電力線通信技術(shù)應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2003（1）：2527.
［5］丁國(guó)華.電力線高速通信技術(shù) ［J］.中國(guó)數(shù)據(jù)通信，2006，（1）：5760.
作者簡(jiǎn)介 黃旭紅 女，1968年12月，碩士，福建工程學(xué)院電子與電氣工程系，高級(jí)工程師。主要從事多媒體通信領(lǐng)域的研究。
關(guān)鍵詞：電力線通信技術(shù)；智能家居網(wǎng)絡(luò)；OFDM；LonWorks
中圖分類號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1612203
Intelligent Home Network System Based on LonWorks
HUANG Xuhong
(Fujian University of Technology,Fuzhou,350014,China)
Abstract：Home intellectualization needs a flexible and sensitive control network.After analysing the characteristic of power line communication and discussing some key issues in the intelligent home network based on PLC,a solution of the intelligent home network based on power line communication which controls distributing and manages convergent with the LonWorks technology is proposed.The scheme has favorable dependability,agility and expansibility.
Keywords：power line communication technology;intelligent home network;OFDM;LonWorks
近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們的家居環(huán)境向智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展將成為一種潮流。智能家居系統(tǒng)綜合家庭安全防范系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、家庭通信系統(tǒng)和家庭文化系統(tǒng)，為人們提供一個(gè)安全、舒適的生活空間。要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)智能家居系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的支持必不可少�，F(xiàn)代家庭都敷設(shè)了電源線，電源插座隨處可見(jiàn)，因此利用電力線實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)是最方便的。
1 電力線通信技術(shù)概述
電力線通信技術(shù)（PLC）是把載有信息的高頻加載于電流，用電力線傳輸，通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電流中分離出來(lái)，傳送到計(jì)算機(jī)或其他信息家電，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞的一種通信方式。
電力線通信的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)20年代初期， 20世紀(jì)末已在世界上許多國(guó)家的電力系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。進(jìn)人21世紀(jì)后，隨著PLC芯片制造技術(shù)的迅速發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展速度明顯加快，特別在家庭自動(dòng)化和寬帶接入方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前PLC技術(shù)已經(jīng)形成寬帶接入型與家庭網(wǎng)絡(luò)型2種發(fā)展模式，寬帶接入型主要提供自配電變壓器或樓邊至用戶家庭的PLC解決方案，以解決寬帶接入的問(wèn)題。而家庭網(wǎng)絡(luò)型是指通過(guò)電力線在用戶家中組建高速LAN。這種模式的PLC只提供家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，即通過(guò)家庭的內(nèi)部的普通電力線，進(jìn)行組網(wǎng)連接家庭內(nèi)部局域網(wǎng)。以上這2種模式既相互溝通，同時(shí)也各側(cè)重于電力線聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不同側(cè)面。
電力線通信技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：信息家電可以通過(guò)電力線進(jìn)行通信，無(wú)需另外布線，利用電源線實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)成本較低；電力網(wǎng)是覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)，PLC技術(shù)可以輕松地滲透到每個(gè)家庭，其應(yīng)用范圍廣泛；網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)是電源插座，電源插座隨處可見(jiàn)，數(shù)目較多且接插方便；不需要撥號(hào)，接入電源插座即接入網(wǎng)絡(luò)；電力線載波通信較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、家居監(jiān)控等功能。因此利用電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)最為方便。
2 電力線智能家居網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題
2.1 載波技術(shù)
由于低壓電力線載波信道的傳輸特性的特點(diǎn)是具有時(shí)變性、衰減較大，而且各種干擾噪聲復(fù)雜。因此，采用抗干擾性強(qiáng)的載波技術(shù)，是電力線通信技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵。為了提高電力線網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，電力線通信大都采用正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（OFDM）進(jìn)行調(diào)制。
正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（OFDM）是一種多載波技術(shù)，其基本思想是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為N個(gè)并行數(shù)據(jù)分配給N個(gè)不同的正交子載波，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸。這樣既可以得到很高的數(shù)據(jù)傳送速率，又能夠有效地抑制碼間干擾［1］。OFDM通常利用IDFT (離散傅里葉逆變換) 和DFT (離散傅里葉變換) 或者IFFT 和FFT基帶調(diào)制實(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)用發(fā)送與接收，由于子載波空間相互正交，相互重疊的子載波不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。
應(yīng)用OFDM技術(shù)于電力線通信中具有明顯的優(yōu)越性。首先，OFDM系統(tǒng)中，其頻譜利用率理論上可以達(dá)到Shannon 信息論的極限。因此，OFDM頻帶利用率高。其次，OFDM抗干擾性強(qiáng)。由于在電力線信道中各種干擾噪聲復(fù)雜，一是存在著多徑干擾；二是由于電力線信道是一種時(shí)變衰落信道，存在著頻率選擇性衰落；此外，還有其他信道噪聲。OFDM 將高速串行數(shù)據(jù)分割后，其碼元速率為R串/ N，周期延長(zhǎng)了N倍。當(dāng)數(shù)字符號(hào)周期大于最大的延遲時(shí)間就可以有效地減弱多徑傳播的影響。對(duì)于選擇性衰落，由于在OFDM中并行數(shù)據(jù)碼元周期一般大于深衰落的延續(xù)時(shí)間，并行碼元只是輕微的受損，通常加入糾錯(cuò)編碼就可以恢復(fù)。OFDM對(duì)電力線信道噪聲干擾的克服是通過(guò)開(kāi)啟或關(guān)閉子載波來(lái)重新分配子信道實(shí)現(xiàn)，因而數(shù)據(jù)可以僅在能夠傳輸?shù)念l譜內(nèi)傳輸，從而保持合適的誤碼率。因此，OFDM技術(shù)可以有效利用現(xiàn)有低壓電力線實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字通信。
除了OFDM技術(shù)以外，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)抗干擾和抗多徑效應(yīng)也較強(qiáng)。因此，也有一些廠家采用這種技術(shù)開(kāi)發(fā)電力通信產(chǎn)品。擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)是將待傳送的信息數(shù)據(jù)用偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：Spreading Sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端則采用同樣的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。根據(jù)香農(nóng)公式，對(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可用增大傳輸帶寬獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)展頻譜技術(shù)正是利用這一原理。應(yīng)用擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)于電力線通信中也有其優(yōu)越性。首先，由于擴(kuò)頻通信電磁輻射較低，對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾小。其次，擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占有的帶寬相對(duì)較寬， 而接收端通過(guò)窄帶濾波技術(shù)提取有用信號(hào)時(shí)，各種干擾信號(hào)只有很微弱的成份，信號(hào)的信噪比很高、抗干擾性增強(qiáng)。再者，擴(kuò)頻通信可以實(shí)現(xiàn)碼分多址。擴(kuò)頻調(diào)制和OFDM技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，在電力線通信中選取何種載波技術(shù)應(yīng)根據(jù)不同系統(tǒng)的要求來(lái)考慮。對(duì)于1 Mb/s左右的系統(tǒng)，應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)就可以完全滿足傳輸容量的要求，且其設(shè)備簡(jiǎn)單； OFDM雖然具有更高的調(diào)制效率，但是設(shè)備復(fù)雜，要求的協(xié)議復(fù)雜，擴(kuò)頻調(diào)制方式較為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)傳輸速率要求在10 Mb/s 及以上時(shí)，擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難。而對(duì)于相同的傳輸速率要求，OFDM技術(shù)采用并行傳輸，碼元周期較長(zhǎng)，具有較好的抵抗碼間串?dāng)_的能力，因此在10 Mb/s及以上傳輸速率宜采用OFDM調(diào)制技術(shù)。
2.2 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)
要組建一個(gè)控制靈活、高效率、價(jià)格適宜的家居智能網(wǎng)絡(luò)，選擇一個(gè)適宜的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是關(guān)鍵，而網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的核心是家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。目前，家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有許多種，較為成熟的有X10，CEBus和LonWorks等。X10是最早應(yīng)用于家庭設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的。 X10的控制模式為主從控制模式，信息是單向傳輸?shù)模瑥目攸c(diǎn)只能接收主控點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息，不能反饋，主節(jié)點(diǎn)無(wú)法得知從節(jié)點(diǎn)的狀況，無(wú)法達(dá)到真正的智能化。除此之外， X10的系統(tǒng)信息的傳輸較慢（傳送一個(gè)指令需時(shí)0.883 s），抗干擾性能差，可用節(jié)點(diǎn)數(shù)為256個(gè)，只能用于普通家庭中的簡(jiǎn)單控制和專項(xiàng)控制。但X10系統(tǒng)價(jià)格十分低廉，而且安裝使用較方便，所以，至今仍有生產(chǎn)和銷售。如果只是組建一個(gè)簡(jiǎn)單的家居智能網(wǎng)絡(luò)，可以考慮X10技術(shù)。
為了解決X10技術(shù)上的不足，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)推出出了CEBus標(biāo)準(zhǔn)。CEBus是一個(gè)較完整的開(kāi)放系統(tǒng)，它定義了在幾乎所有傳送媒體（Medium）中信號(hào)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并要求控制信號(hào)在所有的媒體中都要以相同的傳送速度（10 kb/S）傳送，從而有效地避免信號(hào)傳輸中可能出現(xiàn)的"瓶頸"問(wèn)題，任何符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)的電器產(chǎn)品都可以直接互連及通信，其尋址能力超過(guò)40億。CEBus的抗干擾能力比X10強(qiáng)，控制功能亦十分豐富。但由于CEBus接口技術(shù)比較復(fù)雜，價(jià)錢較貴，因此使用CEBus產(chǎn)品的用戶相對(duì)較少，CEBus在中國(guó)的應(yīng)用亦不多見(jiàn)。
LonWorks是由美國(guó)Echelon公司于1990年12月開(kāi)發(fā)成功的全分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1997年8月，LonWorks被EIA的集成家庭系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)(Integrated Home Systems Technical Committee)定為家庭網(wǎng)絡(luò)（home networking）的標(biāo)準(zhǔn)。LonWorks完全支持OSI的七層協(xié)議，具有良好的開(kāi)放性、互操作性，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成以分布控制為控制模式。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)家電來(lái)說(shuō)，只需要將已定義的網(wǎng)絡(luò)家電之間信息傳遞的語(yǔ)法和語(yǔ)義標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)后，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠商之間產(chǎn)品的相互兼容。 LonWorks的分布式架構(gòu)使其具有獨(dú)立性，部分節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓。LonWorks的傳輸速率為10 kb/s（電力線），在單一網(wǎng)絡(luò)中的可用節(jié)點(diǎn)數(shù)為32 000個(gè)以上，抗干擾能力很強(qiáng)，其可靠度是這3種網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)最高的（約99.8%）。 在應(yīng)用上，LonWorks取得比較好的成績(jī)，特別在信息采集和控制方面已成為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，LonWorks具有完善的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和工具，網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，使得網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，節(jié)省了大量設(shè)計(jì)工作量，使開(kāi)發(fā)周期大大縮短。
雖然，LonWorks產(chǎn)品的價(jià)格比與X10相比較高，但X10的主從控制模式使之仍需一臺(tái)電腦集中管理并另外拉信號(hào)線加以連接才能控制，造成二次施工的困擾，更破壞了建筑物本身的美觀，而 LonWorks的分布式架構(gòu)則使之免除了這些問(wèn)題，每一個(gè)控制裝置都可以有隨插即用的功能，減免了二次拉線造成的成本，并避免了重新布線的不便。再者，隨著LonWorks將來(lái)的推廣，LonWorks產(chǎn)品的價(jià)格也會(huì)下降。此外，LonWorks可擴(kuò)展性強(qiáng)，在將來(lái)對(duì)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，可充分利用原有資源，降低升級(jí)的復(fù)雜性及成本。
上述3類家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是各有其特點(diǎn)，組網(wǎng)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。但如果要組建一個(gè)統(tǒng)一的、操作性強(qiáng)、功能完善、可靠性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)的家居智能網(wǎng)絡(luò)，采用LonWorks技術(shù)是一個(gè)明智的選擇。
3 電力線智能家居網(wǎng)絡(luò)的組成
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能家居網(wǎng)絡(luò)將會(huì)向著高度智能化、高度靈活性和高度可靠性的方向發(fā)展。因此，本文以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)，采用電力線載波技術(shù)來(lái)構(gòu)建家居智能網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)解決方案如圖1所示。
該網(wǎng)絡(luò)以分布控制、集中管理為控制模式，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可依靠網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成自治的控制功能，通信媒體采用電力線。主控節(jié)點(diǎn)與家用電腦相連，可控制功能節(jié)點(diǎn)的功能配置并監(jiān)控功能節(jié)點(diǎn)的狀況，并且還負(fù)責(zé)與Internet的通信。通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)可查看電表、水表、煤氣表的讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)3表的集抄。功能節(jié)點(diǎn)可接收從電力線傳來(lái)的控制信息，完成自治的控制功能，同時(shí)反饋家電的一些狀態(tài)信息。
主控節(jié)點(diǎn)由i.LON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和與接入Internet的PC機(jī)組成。i.LON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是Echelon與Cisco公司合作開(kāi)發(fā)的，能夠無(wú)縫隙地將數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)絡(luò)鏈接，從而使IP網(wǎng)絡(luò)成為L(zhǎng)onWorks網(wǎng)絡(luò)的延伸，LonWorks網(wǎng)絡(luò)也成為了IP網(wǎng)絡(luò)的一部分，這樣LonWorks網(wǎng)絡(luò)的所有功能特性都能夠在IP 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)。i.LON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器還具有一個(gè)可編程集中信息包的特性，從而調(diào)節(jié)發(fā)往IP網(wǎng)絡(luò)上，控制信息包的數(shù)率，以保證IP網(wǎng)絡(luò)不會(huì)有過(guò)多與控制有關(guān)的信息包。i.LON網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器具有集成式Web 服務(wù)器和訪問(wèn)保護(hù)功能，被授權(quán)者能夠使用PC或筆記本電腦中的Internet Explorer 或Netscape Navigator 本地或遠(yuǎn)程觀察和控制家居智能網(wǎng)絡(luò)［2］。功能節(jié)點(diǎn)由電力線網(wǎng)關(guān)、信息家用電器組成。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，電力網(wǎng)關(guān)是一個(gè)重要的部件，它用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)送與接收。
電力網(wǎng)關(guān)由基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的LonTalk網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和神經(jīng)芯片、電力線載波模塊和耦合電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。LonTalk網(wǎng)絡(luò)協(xié)議固化在神經(jīng)芯片中，用以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接。電力線載波模塊用于信道編碼、調(diào)制解調(diào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，采用的是正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（OFDM）。耦合電路用于隔離電力線上的高壓，過(guò)濾50 Hz電網(wǎng)頻率的干擾。
神經(jīng)元芯片是一個(gè)帶有多個(gè)處理器、讀寫/只讀存儲(chǔ)器（RAM和ROM）以及通信和I/O接口的單芯片系統(tǒng)，它專門為低成本控制設(shè)備提供智能化和聯(lián)網(wǎng)能力而設(shè)計(jì)。它包括3個(gè)能夠提供通信和應(yīng)用處理能力的8位處理器，兩個(gè)用于執(zhí)行LonWorks協(xié)議，第三個(gè)用于設(shè)備的應(yīng)用程序［2］。所以，這個(gè)芯片即有網(wǎng)絡(luò)通信處理功能，又有應(yīng)用程序處理功能，這意味著對(duì)大部分LonWorks設(shè)備而言，只需編寫運(yùn)行在神經(jīng)元芯片上的應(yīng)用程序代碼即可實(shí)現(xiàn)對(duì)與之連接的家用電器的控制從而能夠減少開(kāi)發(fā)成本。只讀存儲(chǔ)器包含一個(gè)操作系統(tǒng)、LonTalk協(xié)議和I/O功能庫(kù)。LonTalk網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［3］是一個(gè)與OSI七層參考模型兼容的以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的對(duì)等的通信協(xié)議，其開(kāi)放性和客戶操作性保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、可持續(xù)的發(fā)展和建設(shè)。
電力線載波模塊采用DSP芯片為核心，配備與其適配的電源、復(fù)位以及各種通信接口等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信道編碼、OFDM調(diào)制解調(diào)。耦合電路采用一個(gè)電容器和一個(gè)電感器組成高通濾波器。該高通濾波器可以衰減50 Hz的電網(wǎng)噪聲，通過(guò)高頻的傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工頻與信號(hào)的分離。另外，由于LonWorks產(chǎn)品的價(jià)格比較高，在組網(wǎng)時(shí)要注意利用LonWorks 互操作性，盡量共享傳感器或控制設(shè)備，降低它們的數(shù)量，降低成本。
4 結(jié) 語(yǔ)
網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的技術(shù)革命為家居智能網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力，為了將家居智能網(wǎng)絡(luò)普及化，深入地研究和開(kāi)發(fā)家居智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是必要的。本文給出的一種基于LonWorks技術(shù)的電力線智能家居網(wǎng)絡(luò)解決方案。具有可靠性強(qiáng)、靈活性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能充分發(fā)揮LonWorks技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制功能。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介 黃旭紅 女，1968年12月，碩士，福建工程學(xué)院電子與電氣工程系，高級(jí)工程師。主要從事多媒體通信領(lǐng)域的研究。
