基于电力线数字家庭实现方案
发布时间：2010-6-28 16:51
发布者：我芯依旧
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信息时代的来临，使信息家电日益受到市场和厂家的关注。伴随着网络技术的发展与迅速普及，人们的生活方式正在发生深刻的变化。所谓数字家庭的概念和现实需求正渐渐向我们走来。 数字家庭作为一个动态过程，应该包含三方面的内容：(1)信息产品的家电化，如机顶盒、web游戏机、web电视、web电话，还有掌上电脑、手持PC、可穿戴PC等所有能通过网络系统交互信息的消费类电子产品；(2)传统家电的数字化和网络化，如电冰箱、洗衣机、微波炉等植入数字网络技术，使之工作于家庭网络环境的基础上；(3)基于家庭网络环境开发出的新的应用模式。 数字家庭的实现面临着两方面的问题：(1)家庭信息需求的具体化，即数字家庭的概念模型到实际模型，国内外都进行了一些有益的探索；(2)技术解决方案，包括网络接入方案和设备互连方案。蓝牙技术为设备间的无线互联提供了一种理想的解决方案。由于价格上的原因，该技术的普及还有一些困难。居家所固有的低压电力线布线结构为实现设备的数字互连提供了一种潜在的可能。本文试图对电力线数据传输的特点进行分析，介绍几种现有的电力线载波芯片，并提出一种基于电力线布线结构的数字家庭实现方案。 1 电力线数据传输的特点 本文所指电力线是指用户端低压电力配线网，其主要功能是传输50Hz的工频电能。利用电力线实现数据传输即采用电力线载波技术。由于电力线本身不是为通信设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。从通信角度来说电力线对数据传输还有一系列技术上的难点，其主要特点如下： (1)配电变压器对电力载波信号的阻隔。配电变压器主要实现50Hz工频电能的变换，因此对高频电力载波信号起阻断作用。这使得电力载波数据传输的范围受到一定的限制。通常只能在一个配电变压器范围内或更小的范围内传送。 (2)三相电力线间有效信号的损失(10dB~30dB)。由于信号跨越相线时要与配电变压器的副边发生关联，必然引入衰减。对于近距离，不同相之间或许可以收到信号。但是距离一远就比较困难了。这是对电力载波传输范围的又一个限制因素。通常电力载波信号只能在单相电力线上传输。 (3)电力线本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50Hz和60Hz，则周期为20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100Hz或120Hz脉冲干扰，干扰时间约2ms。固定干扰必须加以处理。有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又较长，难以应用。 (4)电力负载对载波信号衰减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1Ω以下，造成对载波信号的高衰减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输几公里；但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。因此，只有进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求。提高载波信号功率会增加产品成本和体积，而且，单一提高载波信号功率并不是有效的方法。 (5)电力设备产生的噪声干扰。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，会给电力线带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。用藕合电感从电力线藕合下来的噪声一般在10mV以上，而一般传输的数据信号会削减到1mV，如不采用电力线专用modem芯片来解调数据信号，通讯距离会相当短。 (6)电力线引起数据信号畸变。电力线网本身是一个分布参数的网络，不同点对数据信号影响是不一样的，同时电力线时刻动态变化，不同时间对数据信号影响也不一样，这就使发出的规则数据信号经过电力线后，严重变形、参差不齐，必须加以特殊处理。 基于以上六个特点，电力线作为数据信号的传输介质不是特别理想。进入20世纪90年代以后，随着通信技术的发展，电力线载波技术已经获得了重大突破。1997年10月，英国联合电力公司的通信子公司Norweb公司与加拿大Nortel公司联合宣布已经解决了电力抗干扰等问题。1998年夏天，Norweb 公司已为英格兰西北部的2000个居民和商业用户提供通过电力线的因特网服务，速率达到了1Mbps，比现行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德国RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司在德国莱锡林根向公众展示利用电力网线传送电话和数据的技术，用户通过低压电力线以高于现在ISDN 20倍的速率在因特网上传输和浏览数据。1999年4月，一家以色列公司和一家美国公司也宣布，他们正在联合开发借助公共电力网传送因特网数据的新技术，1999年内将使因特网传输速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未来一两年内提高到10Mbps。 2 现有几种电力线载波芯片 实现电力线载波数据传输的关键是要克服电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强大和性能优越的电力线载波专用modem芯片的设计和应用。国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网(480Y/277V，208Y/120Vac)的标准频率范围100kHz~450kHz和针对欧洲地区电网(400Y/230Vac)的标准频率范围9kHz~150kHz。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波modem芯片。由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。目前，有一、两款电力线载波modem芯片在一定应用领域可勉强使用。国内可使用的电力线载波modem芯片有以下几种： (1)XR2210/XR2206套片或LM1893 这是比较早的电力线载波芯片。XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通讯设计的，还可用于有线和无线通讯。LM1893是美国国家半导体公司生产的modem芯片，采用FSK调制解调方式。它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem芯片在国内基本没有采用。 (2)ST7536 ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的modem芯片。由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。ST7536是半双工的FSK modem芯片，600bps时灵敏度为2mV，1200bps时灵敏度为3mV。它针对电力线载波通讯采用了数字滤波器、AFC(自动频率控制)、ALC(自动输出幅度控制)以及软件上的3字节容错等现代通讯技术。ST7536也是较早的电力线载波modem芯片，调制解调技术是较落后的FSK方式，加上3字节容错，最高波特率只能达到400bps。另外它无CSMA(网络载波侦听)功能，这些限制了它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域，ST7536是最适合的modem芯片。但它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢；它是每位中断一次，按1200bps计算，每833μs中断一次，对更复杂的应用来讲，833μs间隔短了一点。 (3)SSCP300 SSCP300是Intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频(Chirp方式)调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围100kHz~400kHz，电网电压480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用线－地藕合方式。由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。因此比较适合基于电力线网的家庭局域网的应用。 (4)PLT-22 PLT-22是Echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计的。它采用BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在中国电力线网上应用效果较理想。但是由于它是Lonworks网络专用，而且价格太高，因此在市场普及上有一定的困难。 3 实现方案 数字家庭一个主要应用领域就是基于网络实现对家电的控制，如网络空调、网络冰箱、网络电饭锅等。家电网络化的目的在于实现用户对家电的异地远程监控，如通过Internet对家里的空调进行遥控操作，包括开机、关机、温度调节等。另外，家庭电器设备与相关机构的互连，如网络冰箱可以将冰箱内的物品消耗和存量情况通报物流配送公司。物流配送公司将根据用户的消费习惯及时补充物品。 基于电力线网信息家电的实现方案可以包含两个部分：一是家庭局域网与外部的连接?二是基于电力线布线的家庭局域网。家庭网与宽带城域网的外部互连方式有多种，目前比较流行的大概有三类： (1)HFC方式：采用现有的CATV传输网络双向功能的开发，实现用户的宽带接入。 (2)ADSL方式：利用电话线实现用户宽带接入的经济而有效的方法。 (3)LAN方式：利用小区局域网技术，采用双绞线构建楼宇用户内外的宽带互连方式。 组建家庭局域网的内部接入方式也有多种形式，目前正在积极实验和试图投入商业应用的主要方式有以下几种： (1)无线方式：以蓝牙技术为代表的近距离无线接入方式在信息家电领域有较大发展。但是由于价格上的原因，普及应用上还有一些困难。 (2)双绞线方式：采用分离的专门网线实现信号的传递，这在实际使用时有诸多不便。 (3)电力线方式：由于采用与电器供电线路一体化的信道方式，可避免重新布线。便于电器的任意移动。尤其适合网络接入部分的嵌入式设计。一个基于电力线网的数字家庭实现方案如图1所示。
在该方案中家庭内部的互连通过电力线实现。其关键设备是电力线耦合器和电力线modem。这两部分可以作为一个整体嵌入在各个信息家电里。这种设计理念将有助于构建完整的一体化数字家庭，而且无需增加附加的布线资源。 图1中，智能家庭网关是一个独立、智能、灵活多变、标准化的家居网络系统接口单元。它通过各种途径(如Internet、WAP、电话、手机等)从多种多样的外部网络接收通信信号，然后通过家庭内部网络将信号传送到特定的用户设备上，并将相应信号反馈给外部通信节点，实现整个远程交互过程。 智能家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享及同外部通信网络之间的数据交换，同时网关一般还负责家庭智能设备的管理和控制。为适用于普通的家庭用户，网关一般设计为非PC廉价设备，采用嵌入式Internet技术和高性能微处理器。 智能家庭网关应具备以下功能： ·Internet接入功能； ·简单的modem功能； ·Web服务器功能； ·简单的内部网络协议转换功能； ·智能家居控制和管理功能； ·简单友好的用户操作界面； ·具有系统升级和重构功能。 用户可以在任何地方通过Internet、宽带城域网与家庭智能网关建立连接，再通过智能家庭网关与家庭内部的任何一台信息家电或控制装置相连，从而实现对家庭内部各种电器的控制以及其它信息的监控。家庭用户终端和各种信息家电也可以通过智能网关与Internet或外界沟通。这样使得整个家庭以数字方式与外界构成一种互连关系。 传统家电向信息家电的过渡是一个必然趋势，在这一过程中即有传统产品的升级改造问题也有新产品的开发问题，其核心问题还是数字化。数字化只是一个手段，网络化才是其真正的目的。数字家庭的实现是信息家电基于完善的家庭网络平台的系统集成。而电力线网在家庭网络平台的构建中具有极大的开发潜力。因为电力线网可以说是世界上现有分布最广、与普通家庭关系最为紧密的有线网络结构。如何充分利用现有的电力网络承载电话、数据和电视信号是一个很有价值的研究课题。 由于我国电力线网与国外电力线网的差异，目前还没有真正适合国内电力线网特性的载波通讯的modem芯片。另外，由于中国的电网特性、电网结构、居民住宅分布状况、电力线载波通讯的应用领域等方面与国外也有很多不同之处。电力线载波通讯modem芯片是制约国内电力线载波通讯市场迅速增长的主要瓶颈之一。同时也延缓了中国用户对电力线载波通讯技术的认同和接受。针对国内电网特性、住宅结构、市场要求等情况的深入研究，通过对国外电力线载波通讯技术的深入了解，利用国外先进的现代通讯技术，开发适合国内电力线载波通讯modem芯片将具有极其广阔的应用前景。 针对数字家庭所进行的技术创新应该包含两个方面：一是技术本身的创新，如新型modem芯片的开发；二是应用模式的创新，如家居网关的模型、数字家庭的应用模式等。从某种意义上说后者比前者还要重要。换句话说，设计出人们愿意接受的数字家庭应用模式在引导人们需求的同时也会对技术产生巨大的推动。 |
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