載波控制（Carrier control）是指通過載波對裝置進行控制。電力載波通訊即PLC，是英文Power line Communication的簡稱。 電力載波是電力系統特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數位訊號進行高速傳輸的技術。最大特點是不需要重新架設網路，只要有電線，就能進行數據傳遞和控制。
基本介紹
- 中文名：載波控制
- 外文名：Carrier control
- 涉及學科：信息科學
- 利用：載波
- 特點：不需要重新架設網路
- 套用：自動化
簡介,優點,缺點,電力載波模組的設計與實現過程,電力載波通訊網路體系結構,電力載波模組設計,模組結構,技術難點,通訊協定,軟體,實驗和分析,套用領域,電力載波控制發展現狀,
簡介
電力載波（PowerLine CarrierWave,簡稱PLCW）通信是利用電力線進行信息傳送的一種通信方式。電力載波通信在遠程三表（水錶、電錶、煤氣表）信息的自動採集和傳輸中得到廣泛的套用,在智慧型小區建設中備受青睞。隨著信息技術的發展,智慧型化網路家電逐漸成為研究熱點，而將電力載波套用於智慧型化網路家電控制則剛剛開始。國內目前尚未有套用於智慧型化網路家電控制的電力載波通訊產品的研究報導;而國外已經有穩定的構建智慧型化網路家電的電力載波通訊產品，但其價格昂貴,中國普通家庭難以接收,而且電壓是110V,也不適合中國國情。因此,有必要對電力載波技術進行深入探索,研究開發出適合中國國情、成本低廉而可靠的電力載波通訊產品。
優點
將電力載波套用於智慧型化網路家電控制中有許多優點：
（1）可以利用現有的電力線組網;
（2）因為不必重新布網,所以可以節約財力、物力和人力;
（3）穩定可靠,易於實現;
（4）目前市場上已經有多種電力載波晶片,可以擇優選用。
缺點
但是將電力載波套用到智慧型化網路家電控制中還存在許多技術難點：
（1）如何設計基於電力載波控制的智慧型化家電網路的體系結構;
（2）如何制定電力載波通訊協定,使得它們之間能夠相互可靠地傳遞信息;
（3）如何克服電力載波固有的信號衰減、阻抗失配以及等幅振盪干擾等問題;
（4）如何設計電力線接口（PowerLine Interface,簡稱PLI）。
電力載波模組的設計與實現過程
電力載波通訊網路體系結構
電力載波通訊是利用電力線進行信息傳送的通訊方式,因此利用電力線可以組建家庭環境的通訊網路。基於電力載波組建的電力線通訊網路如圖1所示。電力載波通訊網路一般採用主從控制方式,圖中上層有一個主控CPU,下層有若干個從CPU。主控CPU向各個從CPU發出指令協調工作,同一時刻只能有一個CPU使用電力線資源。主控CPU與網關或者家庭伺服器相聯,從CPU控制智慧型電路工作。
電力載波模組設計
在目前的電力載波通訊產品中,主要使用兩種方式：窄帶通訊方式和擴頻通訊方式。窄帶通訊技術價格低廉並且較為容易實現;擴頻通訊技術在抗干擾性能上擾於窄帶通訊,但技術複雜。使用ST7536作為電力載波晶片,採用窄帶通訊方式,是目前廣泛套用於自動抄表系統中的一項成熟技術。考慮到家庭網路通訊距離短、訊息命令少等特點,因此本文選擇ST7536晶片設計電力載波通訊模組。
模組結構
電力載波控制模組結構示意圖如圖2所示。它以ST7536為核心,選用89C52/C51系列單片機為控制器,具有RS232接口和電力線接口。
電力載波模組的工作過程如下：
模組經常處於接收狀態（Rx/Tx-=1）,時刻監聽電力線。當電力線上有信號時,開始接收信息幀,並同時校驗目標地址。如果目標地址不是本機地址,則拋棄該幀。如果目標地址與本機地址,則拋棄該幀。如果目標地址與本機地址相同,則分解該信息幀,檢出有用信息,然後通過RS232接口發往上位機或者套用家電。
如果上位機發出控制指令或者家電產生回饋信息,則通過RS232接口產生中斷進入模組。由模組將控制指令或回饋信息組合成帖,然後模組轉入傳送模組（Rx/Tx-=0）,通過PLI將信息幀傳送到電力線上。信息幀傳送完畢,模組轉入接收模式（Rx/Tx-=1）。
技術難點
信號衰減、阻抗失配、脈衝噪聲以及等幅振盪波干擾等問題是影響電力線傳輸信號的普遍問題。除此以外,電力線接口的變壓器設計也是設計難點。
在電力線上存在各種各樣的干擾,主要包括電源線中的高頻干擾、感性負載產生的瞬變噪聲、晶閘管通斷時產生的干擾、電網電壓的短時下降干擾和拉閘過程形成的高頻干擾。對於以上各種問題,解決的方法主是禁止、濾波、接地,線上路板上布線時應注意減小分布電感和分布電容。衰減和阻抗匹配實際上是一個問題的核心問題是對電線阻抗進行檢測,檢測到的信號引入到ST7536構成閉環,使阻抗匹配,增大輸出功率。另外,在電力載波模組的,應極力避免同一線路上兩個模組同時處於傳送狀態,此時兩模組互為負載,模組若長時間工作,將有可能損壞。解決問題的辦法是：建議主從式網路,由主機對各從機輪詢,從機只有得到主機控制指令後才可以往電力線上傳送信號;而傳送模組一旦發現線路上有其它模組下在傳送,則本模組立即轉為接收狀態。
因為ST7536是基於窄帶通訊方式的,所以濾波器的通帶很窄,因而對於每個傳送頻率Cp具不同的值。 在印刷電路板上電容應當靠近變壓器。為了獲得最佳的濾波性能,電容C10/C11採用線性度較好的種類。
電容C12用來過濾電力線上的50/60Hz信號,它將低頻信號過濾掉而讓高頻信號得以通過。C12是X2類電容。X2類電容具有短路保護功能。這在電力載波系統中是不可缺少的。因為假如萬一電容短路,C12電容就失去了過濾50/60Hz信號的能力,則PLI就會燒壞,危險時會對靠近ST7536的人員造成傷害。
為了避免毛刺對PLI破壞,在PLI中使用了TRL1雙向穩壓管。它的穩壓值為6.8V。如果出現了6.8V及以上電壓,TRL1就會短接到地,從而保護PLI的其餘部件不會被燒壞。
通訊協定
為了使模組之間能夠相互通訊,給ST75367通訊定製了一個簡單而有效的協定。使用這個協定很容易糾錯和檢查誤碼率,而且此協定很容易修改以滿足各種特殊的需求。
在電力線網路上,ST7536傳送的是信息幀,每一信息幀由前導字、系統地址、目標地址、控制命令塊和數據塊五部分組成。前導字和系統地址各占兩個位元組,目標地址、控制命令塊和數據塊各占三個位元組。 前導字用來使傳送ST7536和接收ST7536同步,它由兩個8位的“10101010”位元組序列組成。接收模組用它來調整接收時鐘。因為ST7536傳送出的前3位有可能傳送時產生錯誤,所以前導字中不含有效數據，可以克服開始數據傳輸時的不可靠數據。
系統地址用來區分電力載波網路中的不同模組。系統地址只有8位,為了避免發生錯誤,系統地址傳送了兩次,如圖5所示。幀的目標地址、控制命令和數據必須是非常可靠的,所以對它們要進行引錯。為了糾錯,每個數據要傳送三次。例如,目標地址只有8位,它被傳送了三次,分別在目標地址1、目標地址2和目標地址3中。控制命令和數據也是一樣。因此目標地址（1、2、3）中應該是相同的內容。糾錯的方法就是利用舉手表決算法從這三個位元組中提取出正確的信息。糾錯的過程如下：首先對目標地址1、目標地址2和目標地址3的第0位進行比較,如果有至少兩個位元組中的第0位為0,則目標地址的第0位為0,否則就為1。
然後依次比較第1位、第2位至第7位,這樣可以確定目標地址的所有位。
同樣的方法也用來對控制命令位元組和數據位元組糾錯。
軟體
根據通訊協定,開發ST7536電子力載波模組的軟體。ST7536經常處於接收狀態。當檢測到一定時間（設為500ms）沒有檢測到有效信號,ST7536就轉入傳送模式,如果有數據發和就傳送,傳送完畢後轉入接收模式;如果沒有數據傳送,則直接轉入接收模式。
軟體採用了緩衝區交換技術,如圖6所示。該軟體中為串口通訊建了一個輸入緩衝區和輸出緩衝區,為
電力載波通信建了一個輸入緩衝區和輸出緩衝區。
首先檢測電力線上是否有有效數據,如果有就將其放到電力載波接收緩衝區;否則就開始輪詢是否有
數據要通過串口或者電力載波傳送,通過串口過來的數據通過中斷進入串口接收緩衝區。輪詢時,當串口接收緩衝區中有數據時,將其經協定處理機處理後放到電力載波傳送緩衝區等待傳送;同樣的方式將電力載波接收緩衝區的數據放到串口傳送緩衝區。最後,軟體依據電力載波傳送緩衝區或串口傳送緩衝區是否有數據而決定是否採取相應的傳送動作。
實驗和分析
為了驗證電力載波通訊模組的可用性以及智慧型網路家電的可行性，我們開發了網路洗衣機和智慧型電燈。
作為控制對象,以家用PC作為HomeServer，其物理示意圖如圖7所示。
實驗時,操作者通過Internet或者PSTN拔號連線到HomeServer上,發出控制指令或者請求給
HomeServer,HomeServer通過RS232將控制指令送給PLCW模組,PLCW將控制信號調製加到電力線上,與家電連線的PLCW接收到信號並解調,然後通過RS232將指令送給網路洗衣機和智慧型電燈。網路洗衣機和智慧型電燈可以將控制指令執行結果沿相反路徑反饋給操作者。
為了區分網路電器,事先給網路電器編號,即分配地址。例如,網路洗衣機的地址為1，智慧型電燈的地址分別為2和3。操作員發出的控制指令中必須包含控制對象地址。同時為了控制方便，定義組地址,如255代表所有的電燈,即當控制對象址為255時,所有的智慧型電燈都會接收指令並執行。
實驗結果表明，在100m範圍以內,基於ST7536的PLCW通訊模組可以正確地收發信息,基本上沒有誤碼出現。當控制指令較短而且發出指令的頻率不高時，PLCW通訊模組基本上可以實時回響。但當控制指令較長而且發出指令較為頻繁時,PLCW通訊模組回響較慢。這是因為ST7536在電力線上的波特率為600bps和1200bps兩種可選。該模組目前的數據通訊速率為600bps。而且因為定製的協定中每幀中只有兩個位元組（控制命令和數據）為實驗需要的位元組,因而每秒鐘傳送的有效信息約為11.6位元組。所以它適用於傳送短訊息（命令）數據通訊量低以及實時性要求不高的情況。
實驗證明，套用電力載波通訊技術,可以有效的控制家庭電器,省去家庭重新布線的麻煩。因此,電力載波模組可以作為基於短訊息短命令控制機制的家庭電器和家用服務機器人的控制方式,能夠較好地用於構建家庭通訊網路,是一種性能價格比較高的控制方式。
套用領域
列舉三個套用領域的例子：
套用案例一：智慧型家居
智慧型家居控制網可用電力線載波技術來實現，其原理是將電力載波技術集成後嵌入到各電器中去，並利用家庭現有的電力線作為載波通信媒介，實現智慧型設備之間的通信與控制。智慧型家居控制網中智慧型電器的互聯互動，將為您帶來高品質的生活體驗和生活享受：
- 隨時查詢所有電器狀態
- 任一開關集中控制家中所有智慧型電器設備
- 組開組關指定電器，如場景燈等
- 隨時掌握家庭安防情況，如防盜、火警、探測燃氣泄漏等
- 通過網際網路或電話對家中電器進行遠程控制
套用案例二：遠程抄表系統（AMR）
遠程自動抄表（AMR）系統是智慧型控制網的重要套用之一。它可以使電力供應商在提高服務質量的同時降低管理成本；並讓用戶有機會充分利用各種用電計畫（如分時電價）來節省開支和享受多種便利。
系統功能特點
- 遠程自動抄表
- 遠程控制電錶拉合閘
- 實時查詢用戶用電量
- 電錶用量組抄或個別選擇抄讀
- 可與收費系統聯為一體
- 根據電網負載的峰谷時段分段電價
- 分時段抄表及計費
- 控制非法竊電行為
- 減少人力成本及管理成本
- 自動保存抄讀的歷史數據
- 統計電錶數據，分析用電規律
- 估計線損和由電錶計量誤差引起的自損
- 配電系統評估、供電服務質量檢測和負荷管理
套用案例三：遠程路燈監控系統
遠程路燈監控系統利用電力載波技術通過已有電力線將路燈照明系統連成智慧型照明系統。此系統能在保證道路安全的同時節省電能，並能延長燈具壽命以及降低運行維護成本。
系統功能特點
- 全天候24小時自動監控
- 監控範圍可達數公里
- 加入自動路由功能後，監控範圍成倍增加
- 單燈狀態檢測：電壓、電流、開關、溫度等
- 單燈故障狀態自動上報
- 照明系統節能控制
- 各類故障或異常情況報警
- 多種報警方式供用戶選擇
- 遠程報警信息送至控制中心或值勤人員手機
- 可與110等緊急呼救系統聯網
套用案例四：電梯實現遠程呼梯
電力載波系統：可實現戶內智慧型呼梯、訪客智慧型派梯功能。
戶內智慧型呼梯：業主出門時，按家中的智慧型呼梯按鈕，電梯自動向業主所住樓層停靠，業主出門乘梯，從而有效減少業主侯梯時間。
訪客智慧型派梯：訪客來訪，業主應答並為訪客開放單元門後，按智慧型派梯按鈕，電梯自動向一層停靠，同時，業主所住樓層按鍵解鎖，訪客進入電梯後，可直接按鍵前往業主所住樓層（其他樓層無許可權）。
電力載波系統特點：此系統採用電力載波通訊方式，利用了大樓內的原有電源線，無需重新布線，且安裝使用簡單，只需將智慧型模組插在電源插座上即可，業主可根據自身需求方便選配，無需整體投資，從而降低大樓的整體投資成本。
電力載波控制發展現狀
在以數字微波通信、衛星通信為主幹線的覆蓋全國的電力通信網路已初步形成、多種通信手段競相發展的今天，電力線載波通信仍然是地區網、省網乃至網局網的主要通信手段之一，仍是電力系統套用區域最廣泛的通信方式，仍是電力通信網的重要的基本通信手段；從理論研究，到運行實踐，我們都取得了可喜的成效。
(1) 電力線載波無論是在所具有的規模範圍、裝機數量還是在從事人員數量上，都是空前的。在套用上，上至500KV線路，下至35KV乃至10KV線路;都開通了電力線載波機。到“八五”初期，全國110KV及以上電力線載波話路公里數已達26萬，1989年達到65萬。電力線載波名符其實地成為電力系統套用最為廣泛的通信手段。
(2) 電力線載波通信綜合業務能力有了很大的發展，由過去單獨的調度電話業務發展到為開放電話、遠動、傳真、保護、計算機信息等綜合業務。如葛－滬±500KV直流輸電系統中，兩換流站的運行數據的控制信息通過長達1053Km的載波電路傳送，實現了兩站間的相互自動控制。
(3) 載波技術裝備水平有了很大提高，從五六十年代雙邊帶電子管ZDD-I/2、ZS-3等發展到今天的ESB500、ZDD-27/36等全集成化單邊帶載波機，並推出了數字式載波機。在一些重大工程中還陸續引進了一些具有國際先進水平的載波設備，解決了實際套用中一些國產機暫時無法解決的問題，也為國產機的改進和提高提供了可貴的借鑑。
(4) 理論研究成果卓著。如在頻譜管理上，採用了圖論、地圖色理論和計算機技術，提出了分段設計、頻譜分組、電網分段或分區、頻率重複使用等，並開發出了軟體包，可實現用計算機進行設備管理、頻率管理、新通道設計和舊通道改造、插空安排設備等。為適應現代通信技術的發展，數字式電力線載波機的開發研製也取得了實質性的進展。此外，傳輸理論、組網技術等方面的研究也不斷有新的進展。
