基于LonWorks技术的智能家居网络系统

摘 要：实现家居智能化，离不开一个易安装、便于控制的网络。通过对电力线通信技术的特点及利用电力线通信技术实现智能家居网络组网的关键问题的分析，提出一种利用电力线通信技术组建智能家居网络的解决方案，采用LonWorks网络控制技术，以分布控制、集中管理为控制模式。该方案具有良好的可靠性、较高的灵活性和可扩展性。

关键词：电力线通信技术；智能家居网络；OFDM；LonWorks

中图分类号：TN915 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1612203

Intelligent Home Network System Based on LonWorks

HUANG Xuhong

(Fujian University of Technology,Fuzhou,350014,China)

Abstract：Home intellectualization needs a flexible and sensitive control network.After analysing the characteristic of power line communication and discussing some key issues in the intelligent home network based on PLC,a solution of the intelligent home network based on power line communication which controls distributing and manages convergent with the LonWorks technology is proposed.The scheme has favorable dependability,agility and expansibility.

Keywords：power line communication technology;intelligent home network;OFDM;LonWorks

近年来，随着人工智能技术和网络技术的发展，人们的家居环境向智能化、信息化和网络化发展将成为一种潮流。智能家居系统综合家庭安全防范系统、家庭自动化系统、家庭通信系统和家庭文化系统，为人们提供一个安全、舒适的生活空间。要实现这样一个智能家居系统，网络的支持必不可少。现代家庭都敷设了电源线，电源插座随处可见，因此利用电力线实现家庭网络是最方便的。

1 电力线通信技术概述

电力线通信技术（PLC）是把载有信息的高频加载于电流，用电力线传输，通过调制解调器将高频信号从电流中分离出来，传送到计算机或其他信息家电，以实现信息传递的一种通信方式。

电力线通信的研究和应用始于20世纪20年代初期， 20世纪末已在世界上许多国家的电力系统中得到普遍应用。进人21世纪后，随着PLC芯片制造技术的迅速发展，此项技术的发展速度明显加快，特别在家庭自动化和宽带接入方面取得了长足的进步。目前PLC技术已经形成宽带接入型与家庭网络型2种发展模式，宽带接入型主要提供自配电变压器或楼边至用户家庭的PLC解决方案，以解决宽带接入的问题。而家庭网络型是指通过电力线在用户家中组建高速LAN。这种模式的PLC只提供家庭内部联网，即通过家庭的内部的普通电力线，进行组网连接家庭内部局域网。以上这2种模式既相互沟通，同时也各侧重于电力线联网应用的不同侧面。

电力线通信技术具有以下优点：信息家电可以通过电力线进行通信，无需另外布线，利用电源线实现智能家居网络成本较低；电力网是覆盖范围最广的网络，PLC技术可以轻松地渗透到每个家庭，其应用范围广泛；网络的接入点是电源插座，电源插座随处可见，数目较多且接插方便；不需要拨号，接入电源插座即接入网络；电力线载波通信较容易实现自动抄表、家居监控等功能。因此利用电力线载波通信技术实现智能家居网络最为方便。

2 电力线智能家居网络的关键问题

2.1 载波技术

由于低压电力线载波信道的传输特性的特点是具有时变性、衰减较大，而且各种干扰噪声复杂。因此，采用抗干扰性强的载波技术，是电力线通信技术中的一个关键。为了提高电力线网络的传输质量，电力线通信大都采用正交频分多路复用技术（OFDM）进行调制。

正交频分多路复用技术（OFDM）是一种多载波技术，其基本思想是将串行数据转化为N个并行数据分配给N个不同的正交子载波，实现并行数据传输。这样既可以得到很高的数据传送速率，又能够有效地抑制码间干扰［1］。OFDM通常利用IDFT (离散傅里叶逆变换) 和DFT (离散傅里叶变换) 或者IFFT 和FFT基带调制实现正交频分复用发送与接收，由于子载波空间相互正交，相互重叠的子载波不会产生相互干扰。

应用OFDM技术于电力线通信中具有明显的优越性。首先，OFDM系统中，其频谱利用率理论上可以达到Shannon 信息论的极限。因此，OFDM频带利用率高。其次，OFDM抗干扰性强。由于在电力线信道中各种干扰噪声复杂，一是存在着多径干扰；二是由于电力线信道是一种时变衰落信道，存在着频率选择性衰落；此外，还有其他信道噪声。OFDM 将高速串行数据分割后，其码元速率为R串/ N，周期延长了N倍。当数字符号周期大于最大的延迟时间就可以有效地减弱多径传播的影响。对于选择性衰落，由于在OFDM中并行数据码元周期一般大于深衰落的延续时间，并行码元只是轻微的受损，通常加入纠错编码就可以恢复。OFDM对电力线信道噪声干扰的克服是通过开启或关闭子载波来重新分配子信道实现，因而数据可以仅在能够传输的频谱内传输，从而保持合适的误码率。因此，OFDM技术可以有效利用现有低压电力线实现高速数字通信。

除了OFDM技术以外，扩频调制技术抗干扰和抗多径效应也较强。因此，也有一些厂家采用这种技术开发电力通信产品。扩展频谱调制技术是将待传送的信息数据用伪随机编码(扩频序列：Spreading Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。根据香农公式，对于任意给定的信号噪声功率比，可用增大传输带宽获得较低的信息差错率。扩展频谱技术正是利用这一原理。应用扩展频谱调制技术于电力线通信中也有其优越性。首先，由于扩频通信电磁辐射较低，对其他通信系统的干扰小。其次，扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽， 而接收端通过窄带滤波技术提取有用信号时，各种干扰信号只有很微弱的成份，信号的信噪比很高、抗干扰性增强。再者，扩频通信可以实现码分多址。扩频调制和OFDM技术具有不同的特点，在电力线通信中选取何种载波技术应根据不同系统的要求来考虑。对于1 Mb/s左右的系统，应用扩频技术就可以完全满足传输容量的要求，且其设备简单； OFDM虽然具有更高的调制效率，但是设备复杂，要求的协议复杂，扩频调制方式较为经济。当传输速率要求在10 Mb/s 及以上时，扩频技术实现起来较困难。而对于相同的传输速率要求，OFDM技术采用并行传输，码元周期较长，具有较好的抵抗码间串扰的能力，因此在10 Mb/s及以上传输速率宜采用OFDM调制技术。

2.2 网络控制技术

要组建一个控制灵活、高效率、价格适宜的家居智能网络，选择一个适宜的网络控制技术是关键，而网络控制技术的核心是家庭自动化网络标准。目前，家庭自动化网络标准有许多种，较为成熟的有X10，CEBus和LonWorks等。X10是最早应用于家庭设备自动控制系统的。 X10的控制模式为主从控制模式，信息是单向传输的，从控点只能接收主控点发来的信息，不能反馈，主节点无法得知从节点的状况，无法达到真正的智能化。除此之外， X10的系统信息的传输较慢（传送一个指令需时0.883 s），抗干扰性能差，可用节点数为256个，只能用于普通家庭中的简单控制和专项控制。但X10系统价格十分低廉，而且安装使用较方便，所以，至今仍有生产和销售。如果只是组建一个简单的家居智能网络，可以考虑X10技术。

为了解决X10技术上的不足，美国电子工业协会(EIA)推出出了CEBus标准。CEBus是一个较完整的开放系统，它定义了在几乎所有传送媒体（Medium）中信号的传输标准，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度（10 kb/S）传送，从而有效地避免信号传输中可能出现的"瓶颈"问题，任何符合CEBus标准的电器产品都可以直接互连及通信，其寻址能力超过40亿。CEBus的抗干扰能力比X10强，控制功能亦十分丰富。但由于CEBus接口技术比较复杂，价钱较贵，因此使用CEBus产品的用户相对较少，CEBus在中国的应用亦不多见。

LonWorks是由美国Echelon公司于1990年12月开发成功的全分布式智能控制网络技术。1997年8月，LonWorks被EIA的集成家庭系统技术委员会(Integrated Home Systems Technical Committee)定为家庭网络（home networking）的标准。LonWorks完全支持OSI的七层协议，具有良好的开放性、互操作性，其网络系统组成以分布控制为控制模式。对于网络家电来说，只需要将已定义的网络家电之间信息传递的语法和语义标准在应用层实现后，就能够实现不同厂商之间产品的相互兼容。 LonWorks的分布式架构使其具有独立性，部分节点的故障不会造成系统瘫痪。LonWorks的传输速率为10 kb/s（电力线），在单一网络中的可用节点数为32 000个以上，抗干扰能力很强，其可靠度是这3种网络控制技术最高的（约99.8%）。 在应用上，LonWorks取得比较好的成绩，特别在信息采集和控制方面已成为事实上的行业标准。此外，LonWorks具有完善的开发系统和工具，网络通信采用面向对象的设计方法，使得网络通信的设计简化为参数设置，节省了大量设计工作量，使开发周期大大缩短。

虽然，LonWorks产品的价格比与X10相比较高，但X10的主从控制模式使之仍需一台电脑集中管理并另外拉信号线加以连接才能控制，造成二次施工的困扰，更破坏了建筑物本身的美观，而 LonWorks的分布式架构则使之免除了这些问题，每一个控制装置都可以有随插即用的功能，减免了二次拉线造成的成本，并避免了重新布线的不便。再者，随着LonWorks将来的推广，LonWorks产品的价格也会下降。此外，LonWorks可扩展性强，在将来对系统升级时，可充分利用原有资源，降低升级的复杂性及成本。

上述3类家庭自动化网络技术都是各有其特点，组网时可根据实际情况进行选择。但如果要组建一个统一的、操作性强、功能完善、可靠性强、可扩展性强的家居智能网络，采用LonWorks技术是一个明智的选择。

3 电力线智能家居网络的组成

随着网络技术的不断进步，智能家居网络将会向着高度智能化、高度灵活性和高度可靠性的方向发展。因此，本文以LonWorks技术为基础，采用电力线载波技术来构建家居智能网络。该网络解决方案如图1所示。

该网络以分布控制、集中管理为控制模式，其网络系统可依靠网络节点完成自治的控制功能，通信媒体采用电力线。主控节点与家用电脑相连，可控制功能节点的功能配置并监控功能节点的状况，并且还负责与Internet的通信。通过主控节点可查看电表、水表、煤气表的读数，实现3表的集抄。功能节点可接收从电力线传来的控制信息，完成自治的控制功能，同时反馈家电的一些状态信息。

主控节点由i.LON网络服务器和与接入Internet的PC机组成。i.LON网络服务器是Echelon与Cisco公司合作开发的，能够无缝隙地将数据与控制网络链接，从而使IP网络成为LonWorks网络的延伸，LonWorks网络也成为了IP网络的一部分，这样LonWorks网络的所有功能特性都能够在IP 网络上实现。i.LON网络服务器还具有一个可编程集中信息包的特性，从而调节发往IP网络上，控制信息包的数率，以保证IP网络不会有过多与控制有关的信息包。i.LON网络服务器具有集成式Web 服务器和访问保护功能，被授权者能够使用PC或笔记本电脑中的Internet Explorer 或Netscape Navigator 本地或远程观察和控制家居智能网络［2］。功能节点由电力线网关、信息家用电器组成。在这个网络系统中，电力网关是一个重要的部件，它用于对网络信息的发送与接收。

电力网关由基于LonWorks网络系统的LonTalk网络协议和神经芯片、电力线载波模块和耦合电路组成，其结构如图2所示。LonTalk网络协议固化在神经芯片中，用以实现与网络的连接。电力线载波模块用于信道编码、调制解调，以实现数据的传输，采用的是正交频分多路复用技术（OFDM）。耦合电路用于隔离电力线上的高压，过滤50 Hz电网频率的干扰。

神经元芯片是一个带有多个处理器、读写/只读存储器（RAM和ROM）以及通信和I/O接口的单芯片系统，它专门为低成本控制设备提供智能化和联网能力而设计。它包括3个能够提供通信和应用处理能力的8位处理器，两个用于执行LonWorks协议，第三个用于设备的应用程序［2］。所以，这个芯片即有网络通信处理功能，又有应用程序处理功能，这意味着对大部分LonWorks设备而言，只需编写运行在神经元芯片上的应用程序代码即可实现对与之连接的家用电器的控制从而能够减少开发成本。只读存储器包含一个操作系统、LonTalk协议和I/O功能库。LonTalk网络协议［3］是一个与OSI七层参考模型兼容的以数据包为基础的对等的通信协议，其开放性和客户操作性保证了网络系统的标准化、可持续的发展和建设。

电力线载波模块采用DSP芯片为核心，配备与其适配的电源、复位以及各种通信接口等电路来实现信道编码、OFDM调制解调。耦合电路采用一个电容器和一个电感器组成高通滤波器。该高通滤波器可以衰减50 Hz的电网噪声，通过高频的传输信号，实现工频与信号的分离。另外，由于LonWorks产品的价格比较高，在组网时要注意利用LonWorks 互操作性，尽量共享传感器或控制设备，降低它们的数量，降低成本。

4 结 语

网络时代的技术革命为家居智能网络的发展带来了巨大的推动力，为了将家居智能网络普及化，深入地研究和开发家居智能网络技术是必要的。本文给出的一种基于LonWorks技术的电力线智能家居网络解决方案。具有可靠性强、灵活性高、可扩展性强等特点，能充分发挥LonWorks技术的网络控制功能。

参 考 文 献

［1］姚雪峰， 涂丽琴.CDMA 与OFDM 技术在宽带电力线通信中的应用比较［J］.桂林电子工业学院学报，2004，（5）：510.

［2］Echelon Corporation.Echelon LonWorks Products\.

［3］Echelon Corporation.LonTalk Protocol\.

［4］赵强.电力线通信技术应用［J］.电力系统通信，2003（1）：2527.

［5］丁国华.电力线高速通信技术 ［J］.中国数据通信，2006，（1）：5760.

作者简介 黄旭红 女，1968年12月，硕士，福建工程学院电子与电气工程系，高级工程师。主要从事多媒体通信领域的研究。