基于ES0191的电力线物联网控制平台

王勇斌，孙友伟

（西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安710121）

电力线载波（Power Line Carrier，PLC）通信萌芽于20世纪20年代，在低压（220V）领域，PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化。未来的通信网络正在向用户侧延伸，而物联网是新一代信息技术的一个重要部分，也是国家“十二五”规划中的一个重点项目。如果可以利用现有电力网络广泛巨大的资源，无需重新布线，结合物联网，将会非常便捷的为人们提供服务。

传统物联网以无线传感网络［1］为主，而基于电力线的物联网［2－3］，则是利用现有的电力网络，构建有线物联网，可以有效避免节点电池供电不足、无线电波相互干扰以及无线电波对环境的影响。如何把电力网络与物联网结合起来，使之最大限度的发挥服务功能，目前还未有有效的方法，因此，必须对原有的接入技术和无线传感技术加以改进。

本文拟为电力线物联网设计一种控制平台，将物联网中所有的节点设为对等节点，并为该平台节点电路编写统一的通信、控制和处理软件，设计新的适合电力线物联网使用的协议，开发新的帧结构，以实现电力线通信与物联网平滑互连。

1 系统总体设计及工作原理

电力线物联网的主要研究场景有生活场景、生产场景和农业场景［4］，其中的用电设备可以方便地接入网络，从而实现物联网构建，为用户提供舒适的生活方式。不妨选取家庭生活场景作为研究对象。

生活场景中的电力线物联网是一个低速的局域网，每个节点可以接收转发信息，如图1所示。场景中所有需要信息支持的设备连接在电力线上，电力线上有一个Internet节点，设备之间可以相互通信，当设备需要某些服务时也可以将信息通过Internet节点发送到互联网，如房间内的温度超过阀值，设备会联系外出的主人询问是否需要调节温度，而插入土壤的湿度传感器报警时，会把信息发送给浇水装置对花盆浇水等等。Internet节点到以太网需要协议转换［5］，在此暂不考虑。

图1 生活场景中的电力线物联网

图2 低压电力线物联网系统结构

电力线物联网由通信平台、控制平台、传感平台3个方面构成。控制平台由微处理器以及协议软件组成，保证节点正常稳定的工作，为节点有序通信提供保障，本文重点研究控制平台。实验时选择三个对等节点A、B、C，如图2所示，通过电力载波芯片ES0191连接在低压电力线上，由单片机AT89C2051控制，传感器和LED液晶屏连接在单片机IO口上。节点A每隔5分钟将采集的温度［6］发送给节点B，节点B每隔10分钟将采集的照度发送给节点C，节点C每隔20分钟将采集的湿度发送给节点A，节点将接收到的数据显示在液晶屏上。

2 节点硬件电路设计

基于电力线的物联网只需要低速率的数据传输，选用ES0191作为电力载波芯片。ES0191是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的，采用BPSK扩频调制，载波频率为120kHz，传输速率500bps，能够满足实验要求。

节点硬件电路设计如图3所示。图4为节点实物图。

图3 节点硬件电路设计

图3 左上角部分为功率放大，对信号的电流进行放大，从而对功率进行放大，其中4个二极管是防止信号漂移；左下角部分为电路输入输出以及滤波，直接连接在电力线上，滤波器中心频率为120kHz，带宽15kHz；中间部分为信号放大，对衰减的信号进行前端放大，便于对信号正确的接收。

图4 电力线物联网节点实物图

当节点发送信号时，信号经二进制移相键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）调制后通过功率放大、变压后输出到电力线上；当节点接收信号时，信号经过耦合、滤波器滤除带外噪声，再进行信号放大后送给ES0191的ASI口。ES0191工作时需要外接一个9.6MHz的晶振，该晶振经过16分频后得到600kHz的本振信号。从ASI口接收到的120kHz输入信号与内部600kHz本振信号混频后得到480kHz的差频信号，送出芯片给陶瓷滤波器（480EU）进一步带通滤波，然后再送入芯片进行内部限幅放大，解扩后将数据送给单片机。

3 控制平台软件设计

3.1 通信协议模型

由于电力线通信信道的特殊性，信道干扰强且不稳定，需要有高效的通信协议来保证网络中数据有序传输。电力线通信协议目前尚未有国际标准［7］，而是常常采用在以太网中使用的载波侦听多址接入／冲突检测（CSMA／CD）技术［8］，由于电力网络环境不同于以太网，在电力线物联网中使用此协议不能有效的控制用户有序通信。无线通信环境复杂多变，更接近于电力线环境，无线局域网常常采用载波侦听多址接入／冲突避免（CSMA／CA）技术。本文设计的电力线物联网系统使用ES0191为电力线通信物理层提供优化的编码、调制和纠错技术［9］，数据链路层采用类似 CSMA／CA 协议［10－11］。

3.2 载波帧结构设计

在电力线物联网通信中，物理层提供设备与电力线之间的接口，数据从源到目的地址传送通过二进制码元完成。数据链路层采用半双工通信方式，链路的建立和解除由发送节点发出信息帧来控制。载波帧结构如图5所示。

在图5中，预同步头：6个字节，48比特持续高电平（0FFH），用于载波芯片捕获和跟踪接收到的信号。帧同步头：帧头1个字节0x09，帧尾一个字节0xAF。地址域：用1个字节表示地址，最多可以分配256个节点。0x01表示节点A，0x02表示节点B，0x03表示节点C。源地址：1个字节，发送节点的地址。目的地址：1个字节，接收节点的地址。控制码C：1个字节，具体内容如图6所示。

图6 控制码结构

在图6中，D7表示传送方向，D7＝0：发送节点发出命令帧，D7＝1：接收节点发出应答帧。D6表示应答，D6＝0：接收节点正确应答，D6＝1：接收节点对异常信息的应答。D5～D2保留，供以后使用。D1～D0表示功能码，01表示读数据，10表示写数据。属性：1个字节，表示发送内容，0x11发送数据为温度，0x12发送数据为湿度，0x13为照度。数据长度域：1个字节，L为数据域的字节数。校验码：1个字节，采用8位CRC循环冗余校验。

3.3 软件设计

节点地址与采集数据的属性在宏定义中定义。

＃define NODE1 0x01／＊节点1的地址＊／

＃define NODE2 0x02／＊节点2的地址＊／

＃define NODE3 0x03／＊节点3的地址＊／

＃define HOST NODE1

＃define TEMP 0x11／＊温度码＊／

＃define WETNESS 0x12／＊湿度码＊／

＃define LIGHT 0x13／＊照度码＊／

ES0191第4管脚为看门狗，门限为0.4s，为了避免程序跑偏，保证系统可靠运行不死机，节点程序中需要不断喂狗，当系统故障或者程序跑偏时喂狗终止，ES0191会自动复位。

void T0＿time（void）interrupt 1／＊喂狗程序写在定

时器中断中＊／

｛

＋＋n；

TH0＝0x3C；

TL0＝0xAF；

／＊定时器0中断周期为50ms，当n＝4时，定

时200ms＊／

if（n＝＝4）

｛

dog＝～dog；

n＝0；

｝

｝

发送数据时每字节数据采用高位在前，低位在后的方式。发送一个字节数据的程序如下。

sent＿data＝ w＿data；／＊发送数据＊／

num＝8；

while（num－－）

｛

data＿IO ＝ （bit）（sent＿data＆0x80）；

／＊data＿IO为ES0191数据收发管脚＊／

sent＿data＜＜＝1；

delay（1）；

while（～SYNC）；

d

elay（1）；

｝

3.4 数据采集及通信流程

系统采用多个采集节点的结构，当系统启动时，每个节点初始化，启动定时器，节点处于接收状态，当检测信道中有数据传输时，判断帧中目的地址是否与自己相符，若相符合则发出应答帧后开始接收数据，若不相符则继续检测；当定时到达时节点转为发送状态，传感器开始采集数据，节点检测信道是否空闲，若信道繁忙节点在延迟240ms（同步码间隔为2ms，传输1bit数据占用一个同步码长，帧长15Byte，故15×8×2＝240ms）后再次检验，直到信道空闲发送请求帧，待收到接收节点发来应答并确认后发送数据，若300ms内未收到应答帧，重新发送请求，数据发送完毕后节点转为接收状态，等待下一次采集数据后再次发送。

4 小结

电力线物联网以生活、生产、农业为场景，在电力线上构建通信平台，在微处理器控制下，将传感器获得的信息有效的传输到物联网系统中，从而满足人们生产、生活的需要，为人们提供一个舒适、便利、信息畅通的高效居住生活环境。

但是电力线通信也存在很多问题：电力线是非均匀不平衡的传输线［12－13］，信道时变性强，线路分支多，多径效应严重，容易产生符号间干扰；由于负载阻抗的不匹配，信号传输会出现反射、驻波、散射等复杂现象，导致近距点比远距点衰耗大；电力线信道干扰情况复杂，种类繁多。实验中在几十米的范围内数据可以正确接收，液晶屏显示正常，随着测试距离的增加液晶屏显示混乱。需要对电力线抗干扰技术，阻抗隔离技术进行研究。

［1］孙友伟.基于下一代电视传送技术的无线传感器网络［J］.电视技术，2010，34（6）：54－56.

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［5］李法庆，孙友伟.无线传感器网络与以太网络帧结构转换［J］.西安邮电学院学报，2010，15（3）：68－71.

［6］高云.电力载波通信技术在温室数据采集系统上的应用［J］.湖北农业科学，2009，48（10）：69－72.

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［8］李建东，盛敏.通信网络基础［M］.北京：高等教育出版社，2008：140－148.

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