內(nèi)嵌IPv6協(xié)議的電力線調(diào)制解調(diào)器解決方案 - 全文

　　本文作者：意法半導(dǎo)體公司Filippo Colaianni，Nunzio Dipaola， Vincenzo Mormina

　　摘要

　　當你駕車回家時，車庫門自動開啟，無需按任何按鈕；當你穿過一條小路時，路燈自動提高亮度，如果后面沒有其他人，路燈還會自動降低亮度；當你打開房門時，喇叭自動播放你最喜歡的音樂，LED照明燈點亮你的房間，光線顏色和亮度都是你最喜歡的類型。洗衣機、洗碗機等所有家電全都由智能電表管理，按照你的用電曲線為你節(jié)能電能。

　　不論是繁華的都市，還是偏僻的鄉(xiāng)村，隨著樓宇智能化程度不斷提高，我們看到，全球新建筑正在發(fā)生巨變，而且變化速度非?？?。樓宇智能化概念將有助于未來建筑業(yè)取得巨大成功。

　　為實現(xiàn)上述設(shè)想的應(yīng)用場景，意法半導(dǎo)體開發(fā)出了各種半導(dǎo)體產(chǎn)品，例如，為高效電源管理設(shè)計的電源芯片，基于ARM CORTEX M0/3/4內(nèi)核的整合超低功耗技術(shù)的高性能微控制器，保障通信安全的安全微控制器，以及采用MEMS技術(shù)的環(huán)境和運動傳感器、RFID存儲器、NFC控制器等產(chǎn)品。

　　實現(xiàn)這些設(shè)想，僅憑智能樓宇本身是不行的，還需要建立一個智能樓宇社區(qū)。為此，意法半導(dǎo)體開發(fā)出智能樓宇通信產(chǎn)品，例如，低于1GHz的射頻收發(fā)器芯片、電力線調(diào)制解調(diào)器、2.4GHz射頻收發(fā)器等通信芯片。

　　本文介紹一個內(nèi)置IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）技術(shù)的電力線調(diào)制解調(diào)器解決方案。

　　前言

　　今天的智能樓宇概念不僅包含防盜報警系統(tǒng)和傳統(tǒng)的家庭自動化（暖通空調(diào)、百葉窗控制、照明燈具控制），還包括采用新型尖端建材且能夠監(jiān)控每一個家電能耗的高能效樓宇系統(tǒng)。這樣，一處房子能夠按照能源企業(yè)的價格為消費者提供適量的能源。智能樓宇系統(tǒng)可以從戶外的智能水表、燃氣表和電能表收集相關(guān)能耗信息，例如，水電氣費和平均使用量，然后通過室內(nèi)顯示屏供消費者查詢，提高消費者的節(jié)能意識。此外，自動抄表基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）使系統(tǒng)能夠?qū)崟r更新這些信息，讓水電燃氣等能源企業(yè)能夠遠程監(jiān)控表和讀表，定期交換信息。這樣，智能表將能夠報告實際能耗數(shù)據(jù)，而不是僅估計使用量數(shù)據(jù)。該智能表有兩路不同的信道，一條信道與家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（HAN）交換信息，另一條與居民小區(qū)網(wǎng)絡(luò)（NAN）和大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WAN）上的能源供應(yīng)企業(yè)通信。

　　在上面的智能樓宇自動化場景中，信息交換可以使用不同的技術(shù)：以太網(wǎng)、WiFi、藍牙、1GHz以下射頻、電力線調(diào)制解調(diào)（PLM）和KONNEX、WMBUS、IP等不同的通信協(xié)議。

　　我們稍后將討論如何在窄帶或?qū)拵щ娏€上使用IPv6技術(shù)監(jiān)控智能家電、照明燈光、智能計量表等裝置設(shè)備。

　　以傳統(tǒng)的110V-230V電力線為物理通信媒介，電力線調(diào)制解調(diào)器采用數(shù)字技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。歐洲有一個叫做CENELEC的互連互通法規(guī)，該法規(guī)指定供電企業(yè)和電力用戶應(yīng)該使用哪一種頻率調(diào)制技術(shù)。

　　互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議又稱IP，是一個信息通信技術(shù)（ICT）協(xié)議標準，上網(wǎng)的人每天在都使用這項技術(shù)。智能樓宇通信導(dǎo)入IP技術(shù)有一大優(yōu)點：樓宇的環(huán)境裝置、傳感器、電表和標準PC、筆記本電腦和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能夠輕松互動，擴展能力接近無限。這些設(shè)備聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建的獨特環(huán)境叫做物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。

　　目前IP協(xié)議有兩個版本： IPv4和IPv6。后者將會取代前者。

　　在物聯(lián)網(wǎng)中，每個智能裝置在接入互聯(lián)網(wǎng)時都被分配一個IP地址，同時擁有可接受的通信安全等級。

　　內(nèi)置IPv6協(xié)議的電力線調(diào)制解調(diào)器

　　IPv6 概述

　　IPv6互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議技術(shù)將會取代當今的IPv4，進一步擴大聯(lián)網(wǎng)功能，將網(wǎng)絡(luò)地址空間從IPv4的32位擴展到128位，導(dǎo)入更簡單的地址分配過程和路由器信息轉(zhuǎn)發(fā)，原生支持網(wǎng)絡(luò)安全。 IPv6技術(shù)天生就運行在IEEE-802.3（以太網(wǎng)）、IEEE-802.11 （Wi-Fi）和原生支持IPv6流量的數(shù)據(jù)鏈路層之上。不過，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品必須保持低功耗，支持低比特率和小數(shù)據(jù)包，基于IEEE-802.15.4衍生的數(shù)據(jù)鏈路層。因此，IPv6協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層上運行需要一個適配層；最常用的適配層是6LowPAN適配層，該技術(shù)規(guī)范與IPv6和 IEEE-802.15.4合稱為物聯(lián)網(wǎng)三大標準。6LowPAN適配層用于調(diào)整兩個不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包大小、地址分辨率和路由，以適用不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲，即便多數(shù)應(yīng)用設(shè)計采用IP層路由，也需要適配過程。

　　嵌入IEEE-802.15.4技術(shù)的意法半導(dǎo)體電力線調(diào)制解調(diào)器

　　IEEE-802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范和和6LowPAN適配層原本是為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計開發(fā)的，今天，隨著窄帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能不斷提高，該技術(shù)規(guī)范同樣適用于電力線調(diào)制解調(diào)器。G3是首個從IEEE-802.15.4規(guī)范演化出來的電力線調(diào)制解調(diào)通信規(guī)范，同時還可用于其它非OFDM的調(diào)制解調(diào)器。

　　按照數(shù)據(jù)吞吐量和通信協(xié)議規(guī)范劃分，意法半導(dǎo)體提供多款不同的電力線調(diào)制解調(diào)器芯片。

　　ST7540是一款低速率（最高4800 bps）的B-FSK調(diào)制解調(diào)器，是所有協(xié)議層（從物理層到應(yīng)用層）都需要定制的應(yīng)用設(shè)計的理想選擇。ST7570是另一款低速通信產(chǎn)品（屬于STarGRID系列），與IEC 61334-5-1標準的兼容性達到MAC層，高層通信協(xié)議，例如，DLMS / COSEM，交由主微控制器處理。

　　意法半導(dǎo)體的ST7580是STarGRID系列中靈活性最高的高速率（28.8 kbps）產(chǎn)品，支持多個不同的調(diào)制方法：S-FSK或BPSK、QPSK和8PSK，原生實現(xiàn)物理層數(shù)據(jù)成幀。不過，高協(xié)議層可以定制。意法半導(dǎo)體還提供OFDM 解決方案，最高速率高達128.8 kbps，符合 PRIME標準。

　　因為應(yīng)用靈活性出色，ST7580是首選的非OFDM IEEE-802.15.4解決方案。該產(chǎn)品的主要特性如下：

　　· B-PSK、Q-PSK、 8-PSK調(diào)制，速率高達28.8 kbps

　　· 雙信道工作模式

　　· 卷積糾錯編碼

　　· 信噪比估算

　　· B-PSK 調(diào)制具有防脈沖噪聲的PNA模式

　　· 成幀服務(wù)

　　· 檢錯功能

　　· 監(jiān)聽功能

　　· 嵌入式AES-128硬件引擎

　　意法半導(dǎo)體應(yīng)用評估板

　　IPv6解決方案包括ST7580 xPSK調(diào)制解調(diào)器和一個STM32F1微控制器。下圖所示是意法半導(dǎo)體演示板，產(chǎn)品訂貨代碼為STEVAL-IPP003V1。

　　圖1： STEVAL-IPP003V1

　　演示板包括交流和直流電源總線所需的耦合電路，采用雙電壓直流電源（13V， 3.3V），提供一個小口USB端口，方便連接PC機應(yīng)用。STM32運行IEEE-802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層固件和包裝器程序，以便與ST7580主接口通信。

　　數(shù)據(jù)鏈路層固件

　　802.15.4通信MAC層提供的服務(wù)能夠通過叫做網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的主節(jié)點和叫做協(xié)調(diào)器的多個對等節(jié)點創(chuàng)建并管理電力線網(wǎng)絡(luò)。

　　圖2： 解決方案固件架構(gòu)

　　電力線網(wǎng)絡(luò)可采用任何拓撲。在開始發(fā)送數(shù)據(jù)前，協(xié)調(diào)器節(jié)點需要接入網(wǎng)絡(luò)，然后執(zhí)行一個叫做“主動掃描”的連接過程。圖2所示是固件架構(gòu)。

　　MacSapInterface

　　上文所述MacSapInterface固件模塊向應(yīng)用層提供MAC服務(wù)原語，這些服務(wù)原語分為兩類：

　　· MAC數(shù)據(jù)管理（MCPS， MAC）：準許服務(wù)管理MAC層收發(fā)的數(shù)據(jù)，決定是否設(shè)置信息的優(yōu)先權(quán)；是否給信息加密，是否需要ACK信號。表1所示是MCPS服務(wù)。

　　表1： MCPS服務(wù)

　　· MAC管理實體（MLME）：準許服務(wù)管理MAC內(nèi)部數(shù)據(jù)庫 （MIB）和PANNING（個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）參數(shù)。表2和表3描述了MIB的屬性（應(yīng)用層利用屬性修改MAC層的特性）和 MLME服務(wù)。

　　表2： MIB屬性

　　表3： MLME服務(wù)

　　聯(lián)網(wǎng)順序

　　激活新節(jié)點需要一系列步驟，首先搜索網(wǎng)絡(luò)，如果有網(wǎng)絡(luò)存在，則加入網(wǎng)絡(luò)；如果沒發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，則需要建立一個新網(wǎng)絡(luò)。待激活節(jié)點利用主動掃描搜索網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)網(wǎng)順序如圖3所示。

　　圖 3：聯(lián)網(wǎng)順序

　　1. MLME-RESET：將硬件 （PLM調(diào)制解調(diào)器）和Mac層重置為默認參數(shù)

　　應(yīng)用層發(fā)出重置請求并等待重置操作確認

　　2. MLME-SCAN： 通過索要信標幀來掃描網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（如果有節(jié)點），在應(yīng)用層接收信標幀，并確認接收結(jié)果

　　3. MLME-SET：如果MLME-SCAN.confirm是正值 （表示收到幾個信標幀），則將 MAC_SHORTADDRESS_ID 的屬性值 （設(shè)備短地址）寫1，然后將節(jié)點設(shè)為協(xié)調(diào)器。

　　如果MLME-SCANconfirm是負值 （未收到信標幀），則將節(jié)點設(shè)為PAN協(xié)調(diào)器，并將MAC_SHORTADDRESS_ID值歸 0 （零）。

　　結(jié)論

　　今天，意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品組合有助于設(shè)計人員輕松實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)想，例如，智能樓宇。我們提供基于IPv6協(xié)議的復(fù)雜的解決方案，包括改進系統(tǒng)可靠性的窄帶電力線調(diào)制解調(diào)器技術(shù)。本文討論的解決方案就是其中的一個示例。

　　該解決方案是一個單載波xPSK調(diào)制解調(diào)器，提供通常只有OFDM調(diào)制解調(diào)器才具有的IEEE-802.15.4 MAC功能。意法半導(dǎo)體的解決方案導(dǎo)入IPv6互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議技術(shù)，而這正是OFDM技術(shù)的不足之處。該解決方案讓物聯(lián)網(wǎng)能夠部署在噪聲更大的電力線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

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