智能家居通过电力线通信(PLC/AMR)实现自动抄表技术

引言

在20世纪的大部分时间，电力公司的抄表员通过挨家挨户查看电表的机电式计数器来记录用电量。再到办公室将记录的电表读数输入到电力公司的用户收费记录中。如今，随着技术的进步，这种劳动密集型的人工抄表操作已经逐步被自动抄表(AMR)系统所取代。

在20世纪90年代早期的AMR市场，电力公司认识到AMR的商业价值，因为减少抄表的员工数量可节省费用支出。那时，电力公司只需要每月对居民/工业用户进行一次抄表，因此早期的AMR系统采用近距离方案，仍然需要去电表现场抄表。数据流是单向的：从电表到电力公司工作人员持有的抄表器终端。

如今，对AMR的要求已经远远超出了节省抄表成本这一点。现在，电力公司为了更有效地管理他们的资源，正在寻求能在电表与家庭办公室之间提供即时双向通信的技术方案。这正是AMR备受欢迎的原因。AMR在用户关系管理(CRM)和避免收入损失方面具有新的优势，AMR的电子式质询-响应能力能实现这些优势。

电力线通信实现AMR

为满足当今AMR的通信需要，电力公司正在寻求电力线通信(PLC)技术。PLC是一种通过电力线传输数据(音频、视频、控制信号等)的工业标准方法。由于PLC具有以下技术特点，所以电力公司对其很感兴趣：

降低基础设施成本。PLC系统依靠现有的电力线，不需要构建新的网络基础设施。

对边远地区的覆盖面比RF方案更广。

可由管理中心实现全面控制，降低管理总成本。

防止收入损失。PLC可远程监控，并检测电表篡改行为。这有助于控制损失(即防窃电)，以及在系统出现故障或崩溃时进行维护。

可以集成各种不同服务和实现“智能”家电控制。

能远程监视其它传感器(火灾、温度、入口、出口等)。

记录每日的用电量，缩短“抄表到收费”的时间，以改善财务收入状况。

预付费和缴费帐户自动管理。

实现按使用付费方案。

Maxim的PLC/AMR参考设计

Maxim公司提供自动PLC/AMR方案，从应用角度看，这是一种类似常见的以太网的组网方法。本参考设计基于正交频分复用(OFDM)技术，可实现高可靠性、最大传输速率为14Mbps的数据传输。

对于OFDM系统来说，电表监视系统(AMR)的要求相对比较容易满足。每月一次，必须传输几十到几百字节的AMR消息。其余大部分时间，通信通道都是闲置的。因此，数据速率和数据响应时间都不是AMR系统中特别重要的因素。相反，可靠性和坚固的网络至关重要，事实证明，OFDM是克服AC线路固有噪声大这一缺点的最佳方案。

在Maxim参考设计中，MAXQ3120电量测量微控制器通过异步串行链路以1200bps的数据速率与MAX2986 PLC基带芯片通信。对MAX2986的固件稍加改动，即可通过其内部UART进行通信，并识别符合DL/T645电表协议的帧格式。

该参考设计必须解决的一个问题是MAC层地址和DL/T645网络地址之间的关系问题。由于DL/T645不具有解析MAC层地址的机制(IP栈中ARP具有该功能)，所以有两种应对方案：让主机跟踪网络和每一个电表的MAC标识，或者使MAC地址和网络地址之间具有某种固定的关系。本参考设计采用后一种方法。

在本设计中，网络地址区域为空白的电表会质询相关的PLC芯片组，要求为其分配地址。作为回应，PLC芯片组将MAC地址本身作为有效载荷，发送一个标准的DL/T645地址设置消息。这样，可保证每个电表都有唯一的网络地址(只要MAC地址也唯一)。注意，这是电表芯片(MAXQ3120)唯一一次主动发送消息。

通信按下列步骤进行：

主机PC产生一个请求，并将该请求发送至外部PLC Modem。

PLC Modem分析该请求，并将DL/T645消息头中的电表地址转换为以太网MAC。

附有新MAC的以太网信息包通过电力线被发送出去。

电表接收信息包，并确定消息是发给自己的。并存储源MAC地址，以备在响应包中使用。

PLC MAC提取有效载荷，并将它发送给MAXQ3120。

MAXQ3120响应请求，将一个信息包送回PLC MAC芯片。

MAC控制器构建并发送以太网信息包，用所存储的请求包源地址作为响应包的目的地址。

主机PLC Modem接收响应包，提取有效载荷，然后将其发送给主机PC。

采用该方法，PLC/AMR电表整合了PLC协议和DL/T645协议。这种方案避免了必须在电表中同时建立网络层地址和MAC地址的限制。

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