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电力线载波通信技术智能家居应用分析
来源：中关村在线 作者：秩名日 09:43
[导读] 智能家居产品要想能够像计算机、手机一样走进千家万户，真正惠及每个人的生活，就必须满足以上最基本的要求。而要实现上述目标，其产品所采用的技术是关键。
　　1、智能家居主流技术
　　智能家居诞生很早，进入我国也有十几年的时间，但智能家居在我国的发展却一直不温不火，直到近年随着物联网技术的应用推广，该领域才被大众所广泛认知。2012年初，国家确定将智能家居列入&十二五&规划的九大产业。近两三年来，智能家居快速发展，家电企业，安防对讲厂家以各自的优势产品为切入点，纷纷加入智能家居行业，国内外品牌都在抢夺这块市场。
　　智能家居本质上是为人服务、为家庭服务，是为了改善人们的生活舒适度，提高生活质量。从技术的角度来看，关键还是相关技术的发展能否适合人们对于现代家庭生活的更高需求。智能家居的应用要求是：
　　使用方便，无论老人还是孩子都可以轻松操作；
　　扩展随心所欲，根据需要想加就加，自己就能DIY；
　　产品性能稳定，使用安全；
　　安装非常简单，无论新房还是旧房都可使用；
　　智能家居产品要想能够像计算机、手机一样走进千家万户，真正惠及每个人的生活，就必须满足以上最基本的要求。而要实现上述目标，其产品所采用的技术是关键，那么，我们先来看看智能家居领域的主流技术。
　　智能家居主流技术
　　智能家居领域由于其多样性和个性化的特点，也导致了技术路线和标准众多，没有统一通行的技术标准体系。从技术应用角度来看主要有三类主流技术：
　　总线技术
　　总线技术的主要特点是所有设备通信与控制都基于一条总在线，是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程。市场上比较有影响力的总线技术包括LonWorks、KNX、EIB、CAN、BACNet等。总线技术类产品比较适合于楼宇智能化以及小区智能化等大区域范围的控制，其优势在于技术成熟、系统稳定、可靠性高，应用也比较广泛，但一般设置安装比较复杂，造价较高，工期较长，只适用新装修或对旧房进行改造需要重新布线的用户，且后期需要专业人员进行维护。
　　无线通信技术
　　无线通信技术众多，目前已经成功应用在智能家居领域的无线通信技术方案主要包括：射频（RF）技术（频带大多为315 和433MHz）、IrDA红外线技术、HomeRF 协议、Zigbee 标准、Z-Wave 标准、Z-world 标准、X2D 技术等。无线技术方案的主要优势在于无需布线，安装方便灵活，而且根据需求可以随时扩展或改装。而无线通信最大的缺点在于信号容易受干扰，导致系统不稳定，直接影响用户体验。
　　电力线载波通信技术
　　电力线载波通信技术充分利用现有的电网，两端加以调制解调器，直接以50Hz 交流电为载波，再以数百KHz的脉冲为调制信号，进行信号的传输与控制。电力载波技术优势非常明显，成本低、有现成的电源线、一线两用，价格低廉，延伸方便，不需要重新架设网络，只要有电力线，就能进行数据传递，即充分利用现有的电力网，便能简单地实现家居智能化的改造，只要有供电网络的环境就能够使用。
　　从技术和成本角度，电力线载波通信技术更具优势：
　　。健康环保：现在技术的进步已经有够多的射频污染在伤害着我们的身体，电力载波通过实实在在的电力线在传输信号，所以不会产生任何的对身体有害的射频干扰；
　　。安装调试简单：无需额外布线，，其充分利用现有的电力网便能简单地实现家居智能化的改造，用户只需换个开关即可实现智能控制，这为已装修好房子的住户提供了享受智能家居的可能；
　　。信号稳定：没有所谓的穿墙能力的干扰，在任何一个场所，电力线的零火线都是通的，只要是通的就能传送信号。
　　2、电力载波技术在智能家居应用
　　电力载波在国外智能家居领域的应用已经有几十年，在智能家居进入我国时，电力载波也是最先被引入的技术，然而传统的电力线载波也存在许多弱点，如通道干扰大、信息量小、频率拥挤等，同时传统窄带调制技术传输速率较低（传输一个指令需要0.883s）。这使得在过去较长的一段时间限制了电力载波技术在智能家居行业的应用。随着电力载波技术的不断发展，国内载波芯片厂家已开发出使用OFDM调制技术的载波通信系统，峰值通信速率可以达到400kbps，稳定运行通信速率也已经达到100kbps，足以满足现有智能家居应用对速率的需求，也让我们看到电力载波在智能家居领域应用的广阔前景。
　　例如某智能家居公司开发的采用BPSK调制方式的电力载波智能产品，完全能满足智能家庭控制的需求，同时能够实时检测设备用电，为用户了解用电情况，提高用电效率提供了有效的工具。另外，该产品也能够与该品牌的其他系列产品无缝衔接，实现丰富的智能功能应用。再通过对通信数据进行协议加密，可以确保通信的可靠性和安全性。
　　电力计量，助力节能环保
　　低碳、节能、可持续发展，这是近年来国家不断倡导的生活方式，节能环保的概念也已经深入人心。对于家庭用户如何做才能达到更好的节能效果呢，显然，能做的事情要比把白炽灯泡换成节能灯泡多得多。知己知彼，百战不殆，要想节能，首先必须知道家庭用能设备的能耗情况，电力载波产品对用能设备的能耗数据采集有着天然的优势，该系列产品中的电力计量模块可以对每一个或每一组家庭用电设备进行实时检测统计，就可以了解家庭用电的实际情况，然后根据这些数据进行分析，进而制定一套自家的节能方案。在电力载波模块和负载间安装REM计量模块，就可以实时获取该路负载的用电数据。
　　对于电器用电量的统计，可以采用分时段，比如按照电费的峰时段和谷时段，对不同家用电器可以采用对每个设备进行计量或每一类电器进行计量，如照明用电，空调用电等。在采集了有关电力消耗和各种设备情况准确实时的数据后，可以在智能交互终端上显示出来；可以通过一些计算公式将原始数据转换成人们所熟悉的信息，如耗电多少，需要付多少电费；也可以以图表形式展示。亦或通过智能软件对数据进行分析、挖掘，自动优化匹配各类家电设备，来达到帮助人们更好地管理、节约、监控、优化家庭能源使用的效果。打造家庭绿色生活，在减轻环境负担的同时，也可以充分提高家庭生活的舒适度。
　　如果将该系统应用在酒店客房，可以针对每个客房客人入住时间内的用电量进行统计，通过提供节能奖励等方法倡导低碳环保。如果将该系统应用于商务楼宇，在需要的位置安装电力计量模块进行能耗统计，然后根据数据分析对设备用户和照明用电进行优化管理。
　　3、即插即用，触手可及的智能家居
　　从智能家居概念提出至今，智能家居似乎一直都在研究和试图迎合高端人群的需求，高端的定位，贵族的价格，动辄几万、十几万、甚至几十万的系统，还必须对家里重新布线，这让普通百姓对智能家居的感受是多么地遥不可及。
　　而电力载波智能家居产品在家居中的应用最大的特点就是无需额外布线，只需在普通开关面板后面加装电力载波模块，或者用带控制面板的电力载波开关替代原有的普通开关，也可以通过装载了配套应用软件的移动终端进行控制，就可以轻松地体验智能控制所带来的便利。
　　1、任何对智能家居有兴趣或者希望先尝试体验一下的客户，都可以先试装几个产品，待实际体验后，再考虑将系统进行扩展；
　　2、最简单的系统组成，不需要昂贵的价格，就能让便利的生活触手可及，智能家居体验不再只是贵族的享受；
　　3、对于行动不便的老人或残疾人，这让便利更加的实在，智能家居不再只是一个概念，而是能够实实在在地惠及到有需要的人。
　　扩展随心所欲，与其他系统互融互通
　　电力载波智能家居系统功能实现的方式可以简单，如通过用户来直接对家庭设备进行各种操作，如遥控开关窗帘，远程切断电视机电源；也可以复杂，如用户可以设置场景（批量执行控制指令）、定时启动、条件执行等，系统在任何时候都能够方便地进行扩展，也可以与其他智能家居系统互融互通，如图3所示，可以满足用户不断变化和增长的需求。
　　结束语
　　智能家居正逐渐从最初的&理想很丰满，现实很骨感&的境遇中走出，将走进寻常百姓人家，便捷人们的生活，提升人们的生活质量。从技术的创新角度来看，虽然智能家居系统技术推陈出新、层出不穷，但各项技术都有自己的优势与特点，都有它最适合的应用环境，可能短时间内谁也无法完全替代谁，只是不同技术在各种场合的适应性不同。根据内容和环境需要，选择最合适的技术，能够为用户提供实际的帮助，达到理想的效果才是最重要的。
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基于电力线载波通信的数据传输系统研究与实现
【摘要】：电力线载波通信(Power line carrier communications, PLC)是利用电力线作为介质传输信号的一种新通信技术,它充分利用了现有的电力网络资源,在不影响电力线路传输电能的同时,实现数据、语音、视频等多媒体传输。PLC具有不需要重新布线、数据通信网络建设速度快和投资少的特点,可以实现传输速度高于现有无线技术的通信。而且由于电力线网络分布广泛,PLC数据通信网络和宽带接入具有其他技术难以比拟的优势。
然而,电力线是为电能输送设计的,PLC需要克服电力线信道的恶劣环境。因此,本文从电力线信道的输入阻抗特性、信道衰落特性、噪声特性和时变特性等几个方面进行了分析讨论。电力线信道的输入阻抗总体上随频率增加而增加,在某些频率上有剧烈波动；电力线上信道衰落正比于通信距离和通信速率,会出现频率选择性衰落；信道噪声来源复杂,包括有色噪声、窄带噪声、周期噪声和随机噪声等；因不同时间电力线上的用电设备不同,电力线的噪声及其他参量具有时变性。在PLC中采用了各种不同的调制技术(FSK、扩频通信和OFDM)来克服这些不利因素,本文对它们的工作原理和特点进行了探讨。论文主要工作如下：
(1)设计并实现了基于PLC芯片ST7538低压窄带数据传输系统。包括电力线载波自动抄表系统和PLC公共照明等用电设备监控系统。
(2)设计了树形结构的三相电力线数据通信网络。通过中继实现远距离传输,克服了PLC传输距离相对短的问题。考虑电力线信道特点,通信采用应答方式和超时重发机制,根据信道的时变特性完成数据通信。
(3)设计并实现了具有串行通信接口的基于ST7538的PLC模块,制定了用于数据传输的通信协议,具备中继传输功能,可扩展性、通用性好。
(4)在自动抄表系统中,对数据终端站的硬件设计、数据采集、存储、查询和读取的软件设计、以及数据通信协议的软件实现方法等几个方面进行了详细介绍。在公共照明设备自动监控系统中,对控制终端的硬件设计及其工作原理进行了分析说明,并对软件编程方法进行了介绍。
(5)研制了PLC自动抄表系统样机,并通过了实验测试。
【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TN913.6【目录】：
中文摘要8-10ABSTRACT10-12第一章 绪论12-17 1.1 电力线载波通信技术的研究意义12-13 1.2 电力线载波通信技术的发展及应用13-15 1.3 论文内容安排15-17第二章 电力线载波通信信道特性17-23 2.1 电力线网络的拓扑结构17-19 2.2 低压电力线信道的传输特性19-21
2.2.1 输入阻抗特性19-20
2.2.2 信道衰减特性20
2.2.3 时变传输特性20-21 2.3 低压电力线信道的噪声特性21-22 2.4 本章小结22-23第三章 电力线载波数据传输系统23-37 3.1 电力线载波通信技术及其分类23-24 3.2 数据传输系统的构成24-26
3.2.1 电力线载波通信的工作原理24-25
3.2.2 单相电力线数据传输网络25
3.2.3 三相电力线数据传输网络25-26 3.3 电力线载波通信中的调制技术26-35
3.3.1 传统载波调制技术27-28
3.3.2 扩频通信技术28-32
3.3.3 正交频分复用(OFDM)技术32-34
3.3.4 电力线载波通信调制技术小结34-35 3.4 电力线载波通信标准35-36 3.5 本章小结36-37第四章 低压窄带数据传输系统的设计与实现37-70 4.1 基于电力线载波通信的自动抄表系统设计37-63
4.1.1 系统总体设计37-39
4.1.2 数据传输网络结构39-40
4.1.3 数据通信协议设计40-47
4.1.4 系统硬件设计47-53
4.1.5 系统软件设计53-60
4.1.6 系统样机和实验测试60-63 4.2 楼宇公共照明设备监控系统设计与实现63-69
4.2.1 系统组成64
4.2.2 系统硬件设计64-67
4.2.3 系统软件设计67-69 4.3 本章小结69-70第五章 总结与展望70-72参考文献72-76致谢76-77攻读硕士学位期间发表的论文和其他科研成果77-78学位论文评阅及答辩情况表78
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低压电力线载波通信技术及应用探讨
作者：张志伟
　摘要 低压电力线载波通信是以低压配电线作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式,电力线覆盖范围的广泛决定了其具有相当大的潜在利用价值。国外对此研究已有近百年的历史，在理论和技术上有着绝对的优势。我国外对其进行的研究起步很早，到目前为止也取得了相当大的成绩，而我国电力网络比较独特，同时对这项技术的研究也直到近些年才开始，这些都决定了我们积极进行这项技术研究的迫切性。本文将重点讨论低压电力载波通信的基本原理、通信信道特性和建模、低压电力载波通信系统的网络组网，对各种关键技术和各类载波芯片及模块进行比对分析。　　关键词 低压电力线；载波通信；技术　　中图分类号TN91 文献标识码A 文章编号 （3-02　　 1 低压电力线通信系统设计策略　　低压电力线载波通讯的质量在实际操作中受到很多方面因素的影响，其中最重要的两个方面包括通讯信道的阻抗特性和衰减性，以及噪声干扰，抗阻性将直接制约信号的传输距离，而噪声干扰则严重影响通讯的质量。可以说这两个因素直接决定通信系统的成败。只有将这两方面进行有针对性的分析和研究才能对低压电力通讯系统进行较为周全的设计，而针对这些特征，对通信系统的设计要对如下方面充分考虑：　　1）由于电力线的抗阻的设计和材料的应用决定了其抗阻一般比较小，所以通信系统发送端和接收端抗阻要尽可能的控制，不能因抗阻的不匹配导致能量在传输过程中有过大的损失；　　2）高频信号在室内电力线上进行传输时会有较大程度的衰减。并且具有时变性的干扰和噪声在信号通过电力线进行传输的时候普遍存在。因此要求室内电力线作为通信信道的时候必须具备较强的抗干扰能力，才能实现通信系统的小信噪比，在电力线载波通信系统中较为常用的技术有扩频技术和正交频复用技术，扩频技术能够在小信噪比的情况下获得较高的接收信噪比，而正交频复用技术除了具备上述优点，还具备抗频率选择性衰落以及多径干扰的优势；　　3）进行通信在波频率和带宽的选择时要有足够的合理性，要依据现实情况根据信号在频域上的衰减状况以及噪声频谱密度进行分析。以此来进行考虑的话应该选择较低的频段，相反如果首先考虑噪声因素的话则应该选择较高的频段，因此在现实中要对两方面进行比对考虑，进行综合性比较；　　4） 一般家庭电网都有较多的分支，同时由于抗阻的不匹配，驻波，反射等现象普遍存在，信号经由不同的枯井最终到达接收端时可能会产生较强的多径干扰，而rake接收机的采用不仅可以有效抵制多径衰落，还能起到分集信号能量，降低误码率的作用。　　5）因为噪声源的远近对通信质量的影响最大，在无法改变距离的情况下要在通信接收处加装隔离作用较好的阻波器；　　6）采用码长适当的卷积码能够进一步降低误码率；　　7）因为时变性在低压电力线通信信号衰减方面表现的非常强，因此自适应能力在通信系统的设计中要给予足够的强调，使其能够根据衰减的实际情况对发射机功率以及接收机的灵敏度进行自动调节，从而使通信质量得到保证；　　8）在进行低压电力线载波通信系统的设计时要尽量避免较长的数据分组，如需使用可将其进行重新分组打包，缩短数据分组的长度，因脉冲干扰的存在，数据分组越短越有优势这样被脉冲干扰的数据量就能得到相应降低，保障了数据的传输速度。　　2 在国内的具体应用　　发达的供电网络线路为低压电力线载波通信技术的提供了广阔的平台，这种技术具有不占用无线频道资源、节约布线、减少工程量、维护简单等无可比拟的优势。同时伴随科技的发展和我国电力网络的逐步开放，低压电力载波通信技术在国内的应用范围越来越广。较为典型的包括家居智能化和自动抄表以及新型智能化小区领域等。　　2.1 家居智能化　　智能化家居网络，是指把分布在住宅各中各种微控制器与PC 连接成一个家庭网络，通过这种方式来实现对设备的智能化，同时还可以达到只要有插座的地方就可以无限制的接入因特网。由于无需进行布设信号线的工作，组网工程具有不破换原有家具的优势。同时还能保障系统的稳定性，其工程造价也比较容易控制。　　通常电力宽带上网系统由电力调制解调器、PLC 设备、PC 机、交换机及路由等设备等组成，使用低压电力线进行网络连接时，先通过电力调制解调器，将PC 机信号转换为特殊的电力信号，再将电力信号经由电力线路传送到PLC 设备中，同时该设备将电力信号转换为原来的数据信号，之后通过交换机以及路由器等设备进入互联网，从而达到电力线路入网的目的。　　2.2 自动抄表系统　　我国的自动抄表行业兴起于上世纪80年代，只是发展相对缓慢。直到2003年后才逐渐进入推广，从2006年开始进入迅速增长期, 当下正处于电力载波抄表发展的黄金阶段。低压电力线载波通信的自动抄表技术正逐步走向实际应用阶段，使得抄表工作不受时间和空间的限制，居民用户也将随时可以查询自己的用电情况，电力管理部门也可以随时准确的得到电能数据。　　3 电力载波通信网络组网研究　　低压配电线路具有物理拓扑和一定的时变性，同时逻辑拓扑的变化与信道质量有很大，这就使低压电力线载波通信的可靠性受到严重影响。已经有学者提出以高速电力线通信的组网方式、网络模型等角度进行探索和研究，从而找到合适的算法对电力线通信网络路由进行优化，以此提高电力通信的可靠性。已经有研究对低压配电网窄带电力线通信数据逻辑链路的选择、建立和自动路由等做了研究和探讨，并提出了一种基于非交叠分簇的动态路由算法和网络重构算法，来保证通信网络的有效性。有些学者提出在低压配电网电力线载波通信中采用网络自组与重构技术，可以自动侦测可通信逻辑节点和最佳中继节点、动态调整路由和配置中继信息以及自动识别节点的投入或切除，从而实现低压配电网中点到点、点到多点的可靠通信。　　4 结论　　低压电力载波通信技术由于其特有的优势逐渐成为通信领域技术研究的，可以说低压电力载波通信技术具有很广阔的应用前景和可利用价值。但我国低压电力网的特殊性，决定了通信信道的分析和建模的困难较大，无法直接利用国外成熟的技术与产品。但随着国内研究机构和相关公司的重视，我国低压电力载波通信也正在逐步发展。具有自主知识产权的电力载波芯片的研制标志着我国在这一技术领域有了实质性的突破。但与国外重量级研究机构和公司仍存在较大的差距。我们应当逐步加强对这项技术的研究和应用推广，低压电力载波通信技术应用的具体方向除了远程自动抄表领域、家居智能化和新型智能化小区外，还可以在节水灌溉监测与控制与农产品流通过程信息化等方面获得广阔的发展空间。中国联盟　　参考文献　　[1]王思彤，袁瑞铭，孙志杰.低压电力载波技术及其在抄表系统中的应用[J].电测与仪表，2008(3). 　　[2]刘晓胜，胡永军，张胜友.低压配电网电力线载波通信与新技术[J].电气应用，2006(2). 　　[3]刘晓胜，熊四军，戚佳金.基于混沌跳频的电力线交织编码技术[J].电力系统自动化，2008(14). 　　[4]周亚，王学玲.低压远程集中抄表系统的组成及其应用前景[J].农村电气化, 2008(5).
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