一种基于电力线通信的网关系统

摘要

一种基于电力线通信的网关系统，所述网关系统包括电力线通信网关模块、电力线通信中继模块及电力线通信终端模块；其中，所述电力线通信网关模块包括电压/电流信号转换电路、线路驱动电路、耦合电路、电力线载波通信芯片及网关联网模组；每个网络部署一个所述电力线通信网关模块，通过网关的转换协议，经电力线连接控制网络部署中的所述电力线通信中继模块和所述电力线通信终端模块。本发明有效解决传统设备上线流程复杂，安装部署周期长等问题，实现高速、可靠、安全的长距离的电力线通信。

说明书

技术领域

本发明属于电子通信技术领域，涉及一种基于电力线通信的网关系统。

背景技术

现有的物联手段，如红外、蓝牙、ZigBee、LoRa、LTE等，让市场陷入混战状态，但这些技术或多或少都有问题，有的受环境影响大，有的通信距离有限，有的通信质量差，更为严重的是各个技术之间不能用同一张网，要想实现万物互联，客户需要投入的成本大大提高。那么如何利用现有的资源来实现万物互联成了难题。

目前，在低压配电网中已使用的通信技术包括光纤通信、电力线载波通信(宽带和窄带)、RS485/232和微功率无线通信等。电力线由于省去了通信专业电缆，直接利用现有的配电网作为能源、信息与控制一体化网络平台，从真正意义上实现电力与信息的同网传输。相比其他通信技术，低压电力线通信技术有着诸多优势，但通信可靠性是目前应用受到限制和质疑的最主要原因。电力线通信信道环境的复杂性和通信介质环境的共享性、开放性和多样性，是导致电力线通信系统可靠性不强的本质原因。对于电力线通信来说，仅提高节点间点对点的通信高可靠性，并不意味着能够提高整个网络的通信高可靠性，它仅是网络可靠性的基础和前提。为了能够实现网络的通信可靠性，需要提出快速有效的组网方法。但在实际工况(即节点数量比较大，或节点间距离比较远，或信道环境突然变坏等情况)中，区域内节点进行的自组网会出现多网络共存的问题，严重影响组网的稳定性与快速性。因此，提出合适的多网络融合方法，保证节点间的可靠通信，将会成为电力线通信（低压PLC：Power Line Communication）网络的一项前沿性课题，具有重大理论及实际意义。

因此，如何解决上述问题，是本领域技术人员着重要研究的内容。

发明内容

为克服上述现有技术中的物联网通信技术对通信距离、通信质量、通信速率、通信安全可靠性、建网成本等的不足，本发明提供了一种基于电力线通信的网关系统，该网关系统可用于智能家居、工业厂房等。

为实现上述技术问题，本发明提供了一种基于电力线通信的网关系统，所述网关系统包括电力线通信网关模块、电力线通信中继模块及电力线通信终端模块；每个网络部署一个所述电力线通信网关模块，通过网关的转换协议，经电力线连接控制网络部署中的所述电力线通信中继模块和所述电力线通信终端模块；在信号通信质量不能满足需求时，再加装至少一个的电力线通信中继模块，通过电力线继续部署连接所述电力线通信终端模块，实现长距离网络覆盖；

其中，所述电力线通信网关模块包括电压/电流信号转换电路、线路驱动电路、耦合电路、电力线载波通信芯片及网关联网模组；

所述电压/电流信号转换电路：用于获取电力线的基波信号，使所述电力载波通信芯片可探知电力线基波幅值，用于过零检测，校准同步信号；

所述线路驱动电路：用于放大线路中较弱的调制信号；

所述耦合电路：耦合或者分离调制信号和电力基波信号；用于给电力载波信号拾取或传递，线路驱动放大发送信号；

所述网关联网模组：通过WIFI连接到以太网，并连接到云端，用于云端数据传输给电力载波通信芯片处理。

进一步地，每个网络中部署最多15个所述电力线通信中继模块；电力线通信终端模块数量不限。

进一步地，所述电力线的零火线分别连接所述电压/电流信号转换电路、线路驱动电路和耦合电路；所述电力线的零火线分别连接所述电压/电流信号转换电路、线路驱动电路和耦合电路；所述电压/电流信号转换电路连接电力线载波通信芯片的27脚（VIN6）；所述线路驱动电路连接电力线载波通信芯片的34脚（LD_OUTPP）、36脚（LD_OUTN）；耦合电路连接电力线载波通信芯片的28脚（RXP）、29脚（RXN）；所述网关联网模组连接电力线载波通信芯片的通用异步收发器接口。所述电力线载波通信芯片的另一个通用异步收发器（UART）接口用于MCU芯片烧写调试；2个SPI（串行外设接口）接口用于外接Flash扩展存储空间；1个I2C（一种串行总线协议标准）接口用于外接其它I2C芯片进行通信；2路PWM（脉冲宽度调制）接口用于对LED驱动进行控制，调整LED的色温、亮度；6个GPIO（通用输入输出）接口用于指示灯控制、按键状态获取。

进一步地，所述电力线布设于使用环境的墙体内部；所述墙体的侧壁上设有插座，所述网关联网模组通过所述插座连接于所述电力线。

进一步地，所述电力线通信网关模块为三脚插座封装结构；该三脚插座封装结构只要插入墙体侧壁上的三脚插座即可实现即插即用的功能。

进一步地，所述电力线载波通信芯片支持FEC(前向纠错)、OFDM(正交频分复用)和频段自适应选择技术，支持高可靠的传输。

进一步地，在电力线零线的输入端并联2个交流400V/2.2nF的电容连接耦合变压器T2的8脚、网络变压器T1的8脚。

本发明的工作原理：

在工作时，网关联网模组具有最基本的转换通信协议，通过网关的转换协议，连接电力线通信终端模块、电力线通信中继模块和云端；电力线通信网关模块串口连接到网关联网模组，根据协议实现电力线通信网关模块的主控功能。网关联网模组连接到云端，通过串口与电力线载波通信芯片进行数据通信，电力线载波通信芯片内置有高性能Cortex-M3处理器，处理器通过加密、变换、调制并耦合到电力线中，通信数据即在交流或直流电线上进行传输，电力线通信终端模块和电力线通信中继模块接收到数据后，通过信号分离、解调、逆变换、解密后，电力线通信终端模块解析到有效数据后通过芯片的外围接口（GPIO、PWM、UART、I2C、SPI等）进行输出控制。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1、本发明为了解决物联网的建设和管理难题，基于电力线通信技术，通过大量的实测数据，分析电力线信道特性，包括衰减特性、阻抗特性、噪声特性等，开发出自适应最佳信号传输频率的功能，实现高速、可靠、安全的长距离的电力线通信。它可以通过电力线传输网络信号，设备通电即可有网络连接，距离可以传输数公里，用户无需再额外建网。

2、本发明无需关注拓扑，只要保障设备供电，即可实现通讯，只要在同一电力变压器供电环境下即可进行通讯。在电力线零线的输入端并联2个交流400V/2.2nF的电容，利用电容的容抗来限制电流，从而进行降压，通过信号变压器实现了强电区域和通讯区域的隔离，电容与变压器的频率特性以及带通电路使有效信号易于通过，滤除带外噪声以及不同相位噪声，避免通信区域受到干扰。

3、本发明只需要并接一个电容在电力线零线的输入端并联2个交流400V/2.2nF的电容连接耦合变压器T2的8脚、网络变压器T1的8脚，就可以强电区域和通讯区域隔离干扰，避免通讯区域受到干扰。

4、本发明具有更远的传输距离和适用的带宽：最大传输距离5公里，无需担心建筑物遮挡造成的无线信号衰减。500+Kbps的传输速率，保证通讯及时性。

5、本发明网关系统在同一通信区域内实现更加智能的无感知自组网络，内置的中继和路由功能具备更强的灵便性。在标准的500个节点网络环境下，实现10秒内快速组网，快速自恢复。

6、用户无需额外建网，只要保障设备供电，安装设备即可实现通讯。结合边缘计算物联网关，可实现末端设备的自动发现，在物联网关和远端物联网平台进行注册，快速建立物联网关与末端设备之间的业务通道，有效解决传统设备上线流程复杂，安装部署周期长等问题。无扰台区识别创新技术，无需任何外加设备，根据宽带载波技术特点和电网及信号特性，通过软件实时分析处理，自动识别出末端设备所归属变压器区域，减少现场配置，极大提升设备部署效率。

附图说明

图1为本发明的电力线通信网关模块的示意框图；

图2为本发明网关系统的组网框图示意图；

图3为本发明电压/电流信号转换电路图；

图4为本发明线路驱动电路图；

图5为本发明耦合电路图；

图6为本发明网关联网模组电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1-6，

如图1-2所示；一种基于电力线通信的网关系统，所述网关系统包括电力线通信网关模块、电力线通信中继模块及电力线通信终端模块；每个网络部署一个所述电力线通信网关模块，通过网关的转换协议，经电力线连接控制网络部署中的所述电力线通信中继模块和所述电力线通信终端模块；在信号通信质量不能满足需求时，每个网络中部署最多15个所述电力线通信中继模块；电力线通信终端模块数量不限。在信号通信质量不能满足需求时加装1个电力线通信中继模块后可以通过电力线继续部署电力线通信终端模块，实现长距离网络覆盖。

其中，所述电力线通信网关模块包括电压/电流信号转换电路、线路驱动电路、耦合电路、电力线载波通信芯片及网关联网模组；所述电力线的零火线分别连接所述电压/电流信号转换电路、线路驱动电路和耦合电路；所述电力线的零火线分别连接所述电压/电流信号转换电路、线路驱动电路和耦合电路；所述电压/电流信号转换电路连接电力线载波通信芯片的27脚（VIN6）；所述线路驱动电路连接电力线载波通信芯片的34脚（LD_OUTPP）、36脚（LD_OUTN）；耦合电路连接电力线载波通信芯片的28脚（RXP）、29脚（RXN）；所述网关联网模组连接电力线载波通信芯片的通用异步收发器接口。所述电力线载波通信芯片的另一个通用异步收发器（UART）接口用于MCU芯片烧写调试；2个SPI（串行外设接口）接口用于外接Flash扩展存储空间；1个I2C（一种串行总线协议标准）接口用于外接其它I2C芯片进行通信；2路PWM（脉冲宽度调制）接口用于对LED驱动进行控制，调整LED的色温、亮度；6个GPIO（通用输入输出）接口用于指示灯控制、按键状态获取。

如图3所示，所述电压/电流信号转换电路：用于获取电力线的基波信号，使所述电力载波通信芯片可探知电力线基波幅值，用于过零检测，校准同步信号；电力线的零线连接AC/L的一端，AC/L的另一端连接二极管D2的负极、电容C1的一端、U1的1脚；电力线的火线连接AC/N的一端，AC/N的另一端连接连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接二极管D2的正极、电容C1的另一端、U1的2脚；U1的3脚连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地；U1的4脚连接电容C2和C3的一端、电阻R5和R6的一端，电容C2的另一端接地，电容C3的另一端和电阻R5的另一端、电容C4和C5的一端连接DC3.3V，电容C4和C5的另一端接地；电阻R6的另一端连接电容C6的一端、电力线载波通信芯片的27脚（VIN6），电容C6的另一端接地；电力线载波通信芯片的26脚（VIN5）、电力线载波通信芯片的25脚（VIN4）接地。

如图4所示，所述线路驱动电路：用于放大线路中较弱的调制信号；电力线的零线连接AC/L的一端，AC/L的另一端连接电容C1、C2的一端，电容C1的另一端连接电容C2的另一端和耦合变压器T2的8脚、网络变压器T1的8脚；电力线的火线连接AC/N的一端，AC/N的另一端连接耦合变压器T2的5脚、网络变压器T1的5脚；耦合变压器T2的3脚连接网络变压器T1的1脚、二极管D1的负极、二极管D2的正极、电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电力线载波通信芯片的36管（LD_OUTN）；耦合变压器T2的4脚连接网络变压器T1的4脚、二极管D1的正极、二极管D2的负极、电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电力线载波通信芯片的34脚（LD_OUTPP）。

如图5所示，所述耦合电路：耦合或者分离调制信号和电力基波信号；用于给电力载波信号拾取或传递，线路驱动放大发送信号；电力线的零线连接AC/L的一端，AC/L的另一端连接电容C1、C2的一端，电容C1的另一端连接电容C2的另一端和耦合变压器T2的8脚；电力线的火线连接AC/N的一端，AC/N的另一端连接耦合变压器T2的5脚、网络变压器T1的5脚；耦合变压器T2的3脚连接网络变压器T1的1脚、二极管D1的负极、二极管D2的正极、电阻R1的一端；耦合变压器T2的4脚连接网络变压器T1的4脚、二极管D1的正极、二极管D2的负极、电阻R2的一端；电阻R1的另一端连接电容C3的一端、电容C4的一端；电容C4的另一端连接电阻R3的一端、电力线载波通信芯片的28管（RXP）；电阻R2的另一端连接电容C3的另一端、电容C5的一端；电容C5的另一端连接电阻R3的另一端、电力线载波通信芯片的29脚（RXN）。

如图6所示，所述网关联网模组：通过WIFI连接到以太网，并连接到云端，用于云端数据传输给电力载波通信芯片处理。U1的1脚、9脚、16脚（GND）接地；U1的8脚（EN）连接电阻R5、R6的一端、电容C4的一端，电阻R6的另一端连接电力线载波通信芯片的22脚（GPIO_6），电阻R5的另一端连接DC3.3V，电容C4的另一端接地；U1的11脚（RX）连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端、电力线载波通信芯片的41脚（GPIO_10），电阻R4的另一端连接DC3.3V；U1的12脚（CTS）连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电阻R1的一端、电力线载波通信芯片的40脚（GPIO_9），电阻R1的另一端接地；U1的17脚（3V3连接电容C1、C2、C3的一端、直流过流电感L1的一端、排插J1的1脚、排插J2的1脚，电容C1、C2、C3的另一端接地，直流过流电感L1的另一端连接DC3.3V；排插J1的2脚、排插J2的2脚接地；U1的22脚（LOG_TX）连接排插J2的3脚；U1的23脚（LOG_RX）连接排插J2的4脚；排插J1的3脚连接电阻R7的一端、电力线载波通信芯片的47脚（UART1_TXD），电阻R7的另一端接地；排插J1的4脚连接电力线载波通信芯片的46脚（UART1_RXD）；其中排插J1为电力线载波通信芯片的调试和烧录口，排插J2为网关联网模组的调试口。

进一步地，所述电力线通信网关模块为三脚插座封装结构；该三脚插座封装结构只要插入墙体侧壁上的三脚插座即可实现即插即用的功能。

实施例1：更远的传输距离和适用的带宽

智慧路灯应用本发明系统在电力线中通信最大传输距离5公里，无需担心建筑物遮挡造成的无线信号衰减。物理层0.507Mbit/s的峰值速率，保证通讯及时性。具体测试数据如下:

以网关为中心覆盖直径5公里，与电力线通信终端模块和电力线通信中继模块（是电力线通信中的中间代理通信模块，接收和发送电力线载波信号，为电力线通信终端模块节点提供代理协调功能。）进行数据通信，实现智能控制和管理路灯。芯片物理层0.507Mbit/s的峰值速率，1个电力线通信网关模块和1个电力线通信终端模块组网测试实际吞吐率80Kbit/s。

实施例2：自动无感知自组网络

在大型工业厂房使用时，将所述电力线布设于墙体内部；即电力线为安装房体时布设好的电力线，无需额外布设信号线，节省施工和材料成本，且不影响美观，不会因为线材过于杂乱而发生一些危险事故，如漏电或妨碍正常行走。墙体的侧壁上设有插座，将网关联网模组通过所述插座连接于所述电力线。网关联网为三脚插座封装结构，可以直接通过插座实现与电力线的连接，在接收电力的同时，接收控制信号。且网关联网模组可以随时进行移动，随时改变安装位置。产品插入墙盒插座，电力线载波通信数据通过电力线传输，在同一区域内与部署的电力线通信终端模块和电力线通信中继模块组网实现通信，数据电源同缆，无需重新布置信号线，无需挖路破墙，特别对密集住宅和地下室，无线信号覆盖相对差的区域，更能提高部署效率。在标准的多节点网络环境下，实现快速组网，快速自恢复。具体测试数据如下：

1个电力线通信网关模块与324个电力线通信终端模块组网：全部断电后重新上电，26秒组网成功；仅电力线通信网关模块断电后重新上电，24秒组网成功。

1个电力线通信网关模块与999个电力线通信终端模块组网：全部断电后重新上电，11分48秒组网成功；仅电力线通信网关模块断电后重新上电，6分44秒组网成功。

同一通信区域内实现更加智能的无感知自组网络，内置的中继和路由功能具备更强的灵便性。上电后，和电力线通信网关模块之间能直接通信的电力线通信终端模块，会首先入网，形成1级站点，并评估相互通信的成功率，不能和电力线通信网关模块直接通信的电力线通信终端模块若能和1级站点通信，就通过1级站点代理入网（即电力线通信中继模块），以此类推逐级形成多层级网络，最多支持15层级，电力线通信中继模块非指定，由各站点自动形成。电力载波通信方式采用中央调度的方式，网关上电后会进行全网检测，确定中继和终端，然后侦听终端的报文或者主动询问终端，通过CSMA/CA载波检测多址的方式进行传输管理和控制。

使用本发明产品，用户无需额外建网，只要保障设备供电，安装设备即可实现通讯。结合边缘计算物联网关，可实现末端设备的自动发现，在物联网关和远端物联网平台进行注册，快速建立物联网关与末端设备之间的业务通道，有效解决传统设备上线流程复杂，安装部署周期长等问题。

以上对本发明所提供的探伤机的分料结构进行了详细介绍。本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。