TCP/IP与电力线载波通信的综合应用

中国电子科技集团公司第二十研究所 刘立峰

电力线载波通信技术基于电力线进行通信传输，能够有效延长通信距离。将电力线载波通信技术与TCP/IP网络协议相结合，并基于STM32最小系统，设计出一种全新的智能监控系统，成功的将TCP/IP技术应用于内存精简、功耗小的微系统中，突破了传输距离以及功能单一的限制。

近些年，我们见证了多种多样的通信方式，但是电力线载波通信(power line carrier communication，PLC)在民生中的应用还不算广泛，因为电力线载波通信分为高压电力线载波传输和低压电力线载波通信传输，这其中电力线电压大于10kv的中高压电力线传输已经研究的很透彻了。本篇文章主要探讨220v到380v的的低压电力线传输，另外，低压电力线更加接近我们的生活，在人们生活的地方以及家庭之中，普遍都是低压电力线，这样对于低压电力线载波我们研究起来意义可能也就更大一些。

TCP/IP协议，是一种将嵌入式微控制器接入internet的链接技术，这里的嵌入式微控制器，可以是8位，16位，或者32位的处理芯片，本篇文章主要探讨32位的微控制器与Internet的链接的原理以及功能的实现。因为虽然电脑的pc端和手机终端可以来达到我们要实现的目的，但是电脑和手机的成本太高，体积过大，不利于我们进行工业化的批量生产。

基于上述问题，本文提出了将电力线载波技术与TCP/IP相结合的方法，并应用于STM32的最小系统，构成一套完善的监控系统，来弥补各自的缺点，实现了TCP/IP与电力线载波通信的综合应用。

1 电力线载波通信

低压电力线的输入阻抗很小，消减了信号的强度，增大了干扰，并且不稳定，并且还会随时间不断变化，无法得出一个具体的数学模型。即便是这样，如果我们采用合理的技术手段，也可以实现电力线载波在实际生活中的应用。

电力线传导性质的一个重要指标就是输入阻抗，掌握了输入阻抗的特性，我们发送的时候会更有效率，可以在很大程度上提升输入的功率。电力线上的信号频率对其输入阻抗有着非常大的作用。

对于数据传输时线上的干扰。这种干扰分成两种情况，其中一种情况是人为干扰，另一种情况是非人为干扰。通常情况下，人为干扰对电力线载波通信的影响要大于非人为干扰。谐波噪声频率都还是交流电频率的整数倍，所以干扰也是周期性的。产生周期性的原因大体上就是用电器会在基波的某个特定相位产生干扰。每个周期都会有两次巨大的干扰信号，并且这些干扰与交流电源是确定的相位联系。除此之外，其他的一些大功率用电器，例如电动机，这些用电设备能够在电网上产生大量的高次谐波。而只有工频的整数倍频率才会有这些这些谐波，能量特别大，频率还会达到几万Hz。

电力线载波通信传输一定是存在多变性的。体现在两个方面。首先一点，是随着时间的推进而改变，即在不同时间干扰的频率，强弱都不一样。在一个就是随着地点的变化而变化，即在不同的电网之间，干扰的效果也不一样。前者因为负载、线路布局、和电网结构各不相同，这就造成了电网中的参数不一样，这样就会对干扰的分布造成影响。

扩频的通信系统要比正常情况下使用的通信系统拥有更好的抗干扰能力，处理的方法是对两个信号做乘法，求出它们的均值或者是瞬时值乘完之后的积分。如果两个信号一模一样，就会得出最大的相关峰值，由数据检测器将发射口的信号复原。当传输通道中有很多干扰，例如窄带干扰、单频干扰等，这些干扰就会和我们要求的信号一起传进接收机，如图1a所示。

图1 扩频基带输出频率

相关处理时将其削减，即把干扰信号的能量分布到扩频带的每个区域，以此来减少干扰电平，就像图1b中所描绘的。基带滤波器仅仅输出基带信号，所以，输出的信噪比就得到了完善与提高，像图中1c所描绘的。

2 TCP/IP网络传输协议

将嵌入式系统和TCP/IP协议有效的结合，uIP协议栈是关健。uIP可以尽可能的减少代码的编写量，除此之外，uIP协议栈还会节省非常多的存储器容量。因为在代码和RAM的需求这些方面，uIP比别的TCP/IP栈要少很多。

对于其他TCP/IP栈，有时候当数据包丢失的时候，需要重新发送数据信号。用uIP协议栈，就不需再考虑这些问题。因为uIP协议栈的存储器不用来数据缓存，数据缓存在RAM中，当数据丢失的时候，只需从RAM快速的生成数据，不用再存储器中缓存静态内容，因此程序的运行速度就会提升很多。所以，uIP协议栈的好处就是可以让应用程序参与数据重发的过程。

3 试验验证

在电脑的浏览器中设置好的ip地址，通过网线，然后经过电力线上面的数据传输来进行pc机与嵌入式控制器的信息交换。

通过数据的传输也就可以在pc端控制stm32，输入网址之后，进入如图2所示页面，点击图中LED0状态反转，板子上面的灯亮，如图3所示。

图2 浏览器界面1

图3 嵌入式控制器界面

同时浏览器变成如图4所示界面。继续将LED1状态反转，那么界面如图5所示。

图4 浏览器界面2

图5 浏览器界面3

嵌入式控制器上两个灯同时亮起，同时浏览器界面上显示嵌入式控制器温度，所以，智能监控系统便得到证实。

进行进一步试验，将嵌入式控制器接入400m外电力线网络，室内pc机中实验现象得到复现，进一步证明智能监控系统通过引入电力线载波通信大大增加监控距离和范围。

结束语：本文通过将电力线载波通信技术与TCP/IP网络协议相结合，并基于STM32最小系统，设计出一种全新的智能监控系统，成功的将TCP/IP技术应用于内存精简、功耗小的微系统中，突破了传输距离以及功能单一的限制。