不同载波芯片互联互通的电力线载波智能网关

2018-10-15

单片机与嵌入式系统应用 2018年10期

(宁夏隆基宁光仪表股份有限公司，银川 750021)

引言

由于发展迅速，各自创新应用，导致没有对窄带电力线载波通信制定标准。从物理层异构同步，MAC层、网络层、传输层、应用层等标准规范也是各具特色，没有统一标准，因此造成现场应用不能实现互联互通，在安装、管理、运维、采集等方面加大了管理成本，影响了采集效率。

基于物理层的互联互通是一种不可扩展的、费时费力的、封闭的互联互通方案，也与目前物联网的技术发展趋势相悖。TCP/UDP/IP协议是开放的、标准化网络层及传输控制协议，基于IP的网络互联已经成为异构物理网络之间进行通信的主流。本设计旨在将TCP/IP通信应用于电力线载波，并将其用于不同厂家的窄带电力线载波网络互联互通中，通过标准化的网络层，在应用层上实现互联互通[3]。通过开发物理层与MAC层之间的适配层，屏蔽物理层的异构特性，既能保护各载波芯片厂家在物理层的技术特色，又能实现各电力线窄带载波技术的互联互通应用。

1 互联互通网络设计架构

各种载波芯片技术子系统可以按照下列通信标准进行开发，既能保证各载波芯片各自的主频、调制解调特色，在这个基础上，通信传输时按照统一的IEEE802.15.4、IPv6、TCP/UPD 等IETF RFC标准进行数据模型搭建。这样就能统一到一起，具体如图1所示。

图1 各载波子系统通信模型图

1.1 物理层和MAC层之间的适配层应用技术

物理层是计算机数据信息传输中的最底层，该层主要完成对数据传输过程中链路的创建、拆除和维护等，为数据信息的传输做好铺垫工作。

IEEE802.15.4协议中的物理层主要为数据信息在MAC层的传输提供数据接口，并且完成对其数据信息的管理和处理。为此，该协议的MAC层在设计过程中采用了超帧结构和信标帧，有效提升了数据传输信息的管理质量。

1.2 标准协议IEEE802.15.4 MAC层的应用技术

MAC层处于物理层和网络层之间，其任务是为数据信息传输过程中所需信道进行访问以及不同设备之间数据帧的传输。IEEE802.15.4标准中给出了4种不同类型的数据帧，即信标帧、命令帧、ACK确认帧、数据帧。其中前面3种帧用来完成与IEEE802.15.4网络之间通信的创建，数据帧则用来完成对所要传输数据信息的实时封装。该层还要为数据信息的传输提供一种访问方法，既确保了数据信息的正确读取，又提高了数据信息传输的安全性。

1.3 MAC层和网络层之间的适配层应用技术

该适配层位于IPv6网络和IEEE802.15.4 MAC层之间，既为IPv6层提供对IEEE802.15.4层中数据信息访问的媒介，又能够实现对LoWPAN网络的创建和路由的分配。网络数据传输过程中，其数据信息的分片、重组、压缩、组播、拓扑构建以及地址分配等均由适配层来完成，图2给出了适配层的功能模块框架结构示意图。

图2 适配层功能模块

从图2中可以看出，6LoWPAN中的最底层使用了PHY和MAC层IEEE802.15.4标准和6LoWPAN的IPv6的选择与组网技术，能够实现对传感器中采集数据信息的识别和传送。随着IPv6技术的快速发展，其逐渐成为网络通信中的主流技术，为网络中数据的传输提供了更多的支持。

1.4 基于网络层IPv6开发技术

当前全球计算机网络在构建过程中都遵循TCP/IP协议，它包括了IPv4和IPv6两个，其中前者应用时间较长，后者是近些年发展起来的。随着计算机网络技术的不断发展，传统的IPv4协议已经不能满足用户对IP地址的需求，IPv6因其自身多方面的优势，得到了越来越多的应用。IPv6的提出有效缓解了计算机地址严重不足的问题，为互联网技术的进一步发展奠定了基础。

2 嵌入式系统架构设计

根据各种载波芯片的技术特色，不但要实现嵌入式系统中设计互联互通的目标，而且还能保持各自载波芯片公司独特的技术，在特定的频率下，按自己的模式去调制解调。在系统架构中，各载波技术信号识别处理和主系统的关系如图3所示。

图3 嵌入式控制系统的总体架构

当然，每种载波底层都有自己的特色。在物理层、MAC层和网络层之间，必须增加适配层，才能按标准融合到一起。各芯片厂商不再采用私有、封闭的上层协议，而是采用TCP/IP协议，并且借鉴以太网技术为上层用户提供媒介无关接口(MII)。这样，采用不同载波芯片的智能节点，尽管在物理层、MAC层可以不同，但因上层协议相同，可以通过桥接节点互联互通。

2.1 物理层和MAC层之间的适配层设计

在物理层设计中，各载波芯片厂家希望主频和调制模式都可以保留自己的特色，自己去识别是否是自己的信号，按照IEEE802.15.4的标准模式适配转变，便于MAC层按标准IEEE802.15.4进行数据链路传输，具体如图4所示。

图4 各载波子系统通信模型物理层和MAC层之间的适配设计

IEEE802.15.4本是用于无线传感器网络的物理层及MAC层的IEEE标准，由于窄带PLC与无线传感器网络在低功耗、噪声及网络时变特性、有损传输等各方面具有相似性，可以将其用于窄带PLC通信。这一移植工作分为物理层的适配和MAC层的适配两部分。考虑到PLC与无线传输的不同特点，主要是PLC在过零点传输，以及速率较无线传输低等特点，而无线信道可连续传输，将IEEE802.15.4加以改造。

此适配层设计可以是承上启下，能够在物理层和MAC层之间很快搭建好IEEE802.15.4在MAC层级中的应用设计。否则，MAC层接收到的还是各种载波的数据链路模式要求，后面无法实现标准化的国际通信标准与无线通信IEEE802.15.4互联互通的应用，相当于一个把自己标准的特色通信数据翻译成标准规范的过程。物理层和MAC层之间的适配层设计图如图5所示。适配层屏蔽物理层的差异性，向上为MAC层提供与802.15.4兼容的服务，而从MAC层向下看是透明的，使有线无线信道无差别。

图5 物理层和MAC层之间的适配层设计图

从自主规范到标准规范，必须有一个适配层设计过程，才能到下一层按标准进行设计。有了这个适配层，才能完成整个IEEE802.15.4的设计应用。

2.2 MAC层IEEE802.15.4标准协议设计

为了实现各载波芯片技术中数据通信的互联互通技术，在数据链路里必须制定统一的标准。大家在保留各种最底层信号处理技术的特色方面，可以在数据传输、访问时制定统一的标准。

IEEE802.15.4技术应用广泛，可以定义低复杂度的技术，还可以对成本低、功耗低、功率低的技术进行解释。该标准的通过使MAC层的发展更加迅速。IEEE802.15.4标准应用在无线局域网中设备与设备间的射频信号传输，由于其应用具有低功率、低功耗、短距离的特点，该标准分别定义了无线点频率和数据传输模型。在设备类型和网络工作方式上，该标准也做了说明，同时还充分考虑了信息传输的保密性。

2.3 MAC层和网络层之间的适配层设计

窄带电力载波通信基本是在低速率的状态下进行的，宽带电力载波技术还没有完善和普及应用，而在窄带低速的电力载波通信里直接实现IPv6协议标准是不可能的，同时在窄带电力载波中用IPv4协议没法实现。毕竟窄带电力载波的数据包和速率都是有限的，而且IPv4无法简化压缩，IPv6的整体协议不可能在低速的窄带电力载波中实现。所以，要对IPv6进行裁剪、压缩，按照标准执行，窄带电力载波就能有统一的IP寻址、路由、中继和传输模式。

MAC层和网络层之间的适配层设计图如图6所示，有了此适配层设计，就可以在窄带电力载波的通信资源下，实现IPv6协议的运用，而且能够在适配层实现自我纠错、断点续传的设计特点，弥补了窄带电力线速率慢、频率低的缺点，将数据传输协议标准化，实现了各载波芯片技术能够互联互通的需求。

图6 MAC层和网络层之间的适配层设计图

2.4 网络层IPv6标准协议设计

IPv6是当前计算机网络中应用最多的通信协议，该协议采用128个数字位进行数据信息的传输，有效解决了传统IPv4协议中存在地址量不够的问题，缓解了IP资源紧张的局面。在该协议下，网络运营商可以为所有用户分配一个IP地址，并且将其进行实名认证，实现用户IP和其真实地址信息的一一对应。

图7 MAC层和网络层之间的适配层设计图

通过6LoWPAN适配层，能够实现对要传输数据信息的IPv6模式转换，转换过程中采用的结构如图7所示。

2.5 传输层TCP/UDP设计

TCP/IP协议栈主要分为4层：应用层、传输层、网络层、数据链路层，每层都有相应的协议，TCP协议是面向连接、保证高可靠性(数据无丢失、数据无失序、数据无错误、数据无重复到达)的传输层协议。

UDP协议也是传输层协议，它是无连接、不保证可靠的传输层协议。该层协议中的报头部分相对简单，其中IP部分是其核心内容,不论要传输数据信息是何种形式，其最后都要以IP数据的模式进行传送。IP协议只是为数据信息的传输提供了较好的服务，如果发生某种错误时，某个路由器暂时用完了缓冲区， IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP消息给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供(如TCP) 。无连接(connectionless)这个术语的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。在窄带电力线载波网上，基于TCP/IP通信的智能节点的基本结构如图8所示。