基于物联网的电力线以太网络适配器的设计

下一代网络继续向前延伸，由骨干传送、接入到用户驻地，今天已经发展到物联网层面［1］。传统的物联网构建，以无线传感器网络为基础，部署特别灵活和快捷，但存在着能源不可持续提供，无线电波互相影响等问题，无论是生活场景还是生产场景，机动灵活已经不再显得重要，而利用现有的各种资源，低成本、长时期、稳定的部署，成为首先考虑的问题。基于电力传输线路的物联网构成，就是利用现有的电力传输线路，构建有线物联网络，这样有效的避免了节点电池供电引起的寿命缩短、无线电波多点发射相互干扰以及无线电波对环境的影响。所有生活场景和生产场景中用电的物体，可以非常方便的接入网络中，从而实现物联网构建的便捷和可靠。由于目前接入网主要是以太接入方式，因此需要一种电力线和以太网之间的近似网桥的设备来进行数据的转换、耦合等处理，这样电力线以太网络适配器变得必不可少。本文提出了一种基于电力传输线路的新型物联网络体系，完成了电力线以太网络适配器及以太网接口电路的硬件设计，实现了协议间的转换。

1 HomePlug AV标准介绍

HomePlug AV是电力线联盟于2005年发布的有关音频－视频宽带家庭网络的第三代技术标准，这一标准是为了在电力线上可靠的传输200Mbps的速率而设计的［2］。它的目的是在室内的电力线上构筑高质量、多路媒体流、面向娱乐的网络，专门用来满足数字化多媒体传输的需要。

HomePlug AV物理层工作的频率范围是2～28MHz，使用了917个频率子带，子带间隔24.416kHz。每个子载波均使用了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）符号，这样数据和它的OFDM符号用Turbo卷积码的方式进行编码，然后根据信道条件选择调制模式（图1），其支持二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK），8种、16种、64种、256种和1024种信号状态的正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），以及增强型OFDM等多种模式。

图1 HomePlug AV中频带使用情况

HomePlug AV物理层通过使用OFDM、信道编码及信道调制技术，提高了频带利用率，显著减弱了多径效应引起的码间干扰，增强了抗突发干扰的能力。

介质访问控制层（Media Access Control，MAC）确定的是一个网络内多址接入方式、资源共享策略和网络的流量控制机制。HomePlug AV在MAC层综合使用了时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）有序接入和载波侦听多路竞争接入／冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA／CA）两种方式：TDMA通过使用规定的时隙来减弱干扰对整个数据单元的影响，提高了MAC层的效率，确保了视频流的服务质量（Quality of Service，Qos），它适用于有优先级的数据的传输；CSMA／CA通过媒介侦听技术和媒介多重接入管理的退避算法来避免冲突的发生和通过获知接入媒介时所发生冲突的最大概率来减少冲突数目。通过选择性确认（Selection ACKnowledge，SACK）机制和快速自动重发请求（Automatic Repeat－reQuest，ARQ）确保了分组数据的可靠传输。此外，HomePlug AV还支持频分复用 （Frequency Division Multiple Access，FDMA），该技术将受到很强干扰影响的频率“关掉”，使信号避免受到窄带干扰的影响。HomePlug AV前向兼容HomePlug 1.0。

2 电力线以太网络适配器的设计

一个典型的基于电力传输线路的物联网络如图2所示［3－4］，传感器采集到的大量音视频、数据信息需要经过电力线发送到Internet上，交由特定的服务器处理。电力线以太网络适配器主要作用是完成以太网信号和电力线高频信号之间的转换，以及以太网接口收发符合以太网规范的信号。目前主流的电力线以太网络适配器是采用HomePlug AV标准，其物理层传输速率最高可达200Mbit／s，能够远远满足物联网中对于数据传输速率的要求。

图2 基于电力传输线路的物联网总体网络结构

2.1 硬件结构

如图3所示，电力线以太网络适配器的主要组成为Intellon公司的INT6400和INT1400的芯片组，一个标准的10／100M以太网物理层收发器连接在INT6400的MII引脚上用来实现以太网接口，INT1400驱动电路和一些耦合滤波电路实现电力线接口。

系统启动前，软件存储在SPI FLASH中，系统启动时，所有的程序拷贝到SDRAM中执行。RJ45口的数字信号经过网络隔离变压器进入以太网物理层收发器，再通过MII接口传输至INT6400变为模拟信号，经过低通滤波及驱动电路后由耦合器耦合到电力线上。接收过程大致相反，只是需要先经过一个LC带通滤波器，过滤掉噪声以后的信号送到INT1400的数字增益放大器，从而可以调节ADC输入端的电平，使其效果达到最佳，最后转化后的数字信号通过MII口到达RJ45口［5］，进入以太网。在整个传输过程中，INT6400芯片内部的MAC控制器进行所有任务的调度和收发控制。

图3 电力线以太网络适配器的硬件结构

整个电路需要外部电源模块进行供电，INT6400内部集成了锁相环（Phase Locked Loop，PLL）电路，37.5MHz的系统时钟用来提供信号处理需要的高频率时钟。

2.2 INT6400结构

INT6400收发芯片完全兼容于HomePlug AV标准，集成了HomePlug AV标准的MAC层和物理层（Physical Layer，PHY）的性能。它的内核为ARM926EJ－S的32位处理器，这个处理器包含了一个16K的数据缓存器和一个16K的指令缓存器，同时这个处理器连接着一个128K的本地指令存储器和一个96K的本地数据存储器。由于整个媒体接入控制器部分的软件无法完全放入本地存储器，所以用一个片外32MByte的SDRAM来提供额外的指令和数据存储。

如图4为其内部结构图，MAC包含大量外围设备及接口：一个复位／时钟控制器，大量的定时器，一个向量中断控制器用于反应具有不同优先级的中断，一个通用异步收发信机（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter，UART）接口用来与外部串行设备进行通信，一个通用I／O端口（General Purpose Input Output，GPIO）用来驱动外接LED的状态。这些外围设备支持实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）和MAC层软件来响应系统中断以及进行软件的控制操作。INT6400设置为MAC工作模式，这样以太网物理层收发器将数据帧传给以太网MAC以后，经过INT6400MAC控制器的处理以后变为HomePlug AV的数据帧，在电力线上传输。JTAG接口用来对MAC控制器进行在线编程。

INT6400的PHY对MAC层的数据帧进行了128位AES加密（解密），前向纠错以及快速傅里叶反变换（快速傅里叶变换）等处理。其次，INT6400芯片内部集成了与传输介质的模拟接口通信所必不可少的A／D和D／A转换器。

图4 INT6400内部结构图

2.3 INT6400芯片组的典型应用电路

图5为INT6400／INT1400芯片组的典型应用电路，R5、R6、R7三个电阻组成了一个6dB的衰减器，这个衰减器用来防止ADC的输入端信号超出最大额定值；C1和C2耦合电容用来消除高频干扰；R1和R2与TX的两个信号输入端并联，将电流信号转换为电压信号进行传输；R3和R4作为下拉电阻，使ADCBIAS和DACBIAS两个端口工作时保持低电平。

图5 INT6400芯片组的典型应用电路

2.4 以太网接口电路的设计

图6 为以太网接口电路。其中YL37－1107S是一种网络隔离变压器，它的作用是：（1）将以太网收发器传送的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，使传输距离更远；（2）使以太网PHY芯片与外部隔离，可以有效防止线路过压对芯片的影响，抗干扰能力增强；（3）当RJ－45口的负载电平不同时，不会对彼此设备造成影响。

图6 以太网接口电路

RTL8201BL是台湾Realtek公司生产的一种以太网控制器，它的作用是处理终端设备访问网络媒体的操作，把从网络上接收到的信号组合成帧，送到OSI模型的上层处理。同时，将电力线上过来的数据包封装成帧，进行编码发送到网络上。它的主要特点有：支持MII／7线制串行网络接口、支持10／100Mbps操作、支持全／半双工操作、支持802.3／802.3u等。

图6中隔离变压器的1、3、6、8引脚分别为TD＋、TD－和RD＋、RD－，分别与RTL8201BL的输出、输入差分信号的引脚TPTX＋、TPTX－和TPRX＋、TPRX－相连；9、11、14、16引脚分别为RX－、RX＋和TX－、TX＋，分别与RJ45输入、输出差分信号的引脚相连。

3 电力网络和以太网络帧结构转换

从网络的数据服务器发往传感器结点的数据经由电力线以太网络转换器接收后，按照IEEE802.3的MAC帧结构恢复成帧，提取出目的结点地址等信息，组合成符合HomePlug AV协议的帧结构，从电力线以太网络转换器的MII接口侧送到以太网物理层收发器。其数据包传输流程如图7所示［6－7］。

根据HomePlug AV电力线协议和以太网协议MAC帧格式［8］来看，在转换的过程中，只需将提取出来的HomePlug AV的MPDU（MAC协议数据单元）进行一些简单的处理（如数据块首中去掉段检验的比特位等），然后交给以太网MAC即可。

对适配器在网络内进行调测，获得有用数据吞吐量和链路的传输速率。为了确保试验结果的可靠性，共进行了3次试验，并使用试验平均值作为最终的结果，即有用数据吞吐量为150Mbit／s，最大实际数据传输速率为60.5Mbit／s。试验结果表明，适配器完成了帧结构间的转换，但是由于一些随机干扰的存在，传输速率跟理论200Mbit／s相比，有比较大的差距。

图7 帧格式转换流程

4 结论

提出了一种基于物联网，符合HomePlug AV标准的电力线以太网络适配器设计方案，着重对调制解调器的结构及以太网接口电路进行设计，最后给出了HomePlug AV协议到以太网协议的帧结构转换方案。基于电力传输线的物联网络的应用与具体的应用环境密切相关，可以针对不同的应用领域，存在性能不同的基于电力传输线的物联网络系统。因此，在所有用电的场合，都可以非常方便的构建物联网络。