基于ST7580單芯片電力線通信和網(wǎng)絡(luò)解決方案

　　固態(tài)路燈的安裝正在全球范圍內(nèi)加快步伐。在全市范圍內(nèi)將這些燈具聯(lián)網(wǎng)的好處已廣為人知，并且期望聯(lián)網(wǎng)的戶(hù)外照明將為進(jìn)一步基于網(wǎng)絡(luò)的智能城市應(yīng)用提供基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施，通常作為物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 運(yùn)動(dòng)的一部分。

　　本文將電力線通信 （PLC） 作為網(wǎng)絡(luò)化戶(hù)外照明應(yīng)用中的骨干連接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。雖然它可以（并且經(jīng)常）與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，但當(dāng)路燈等節(jié)點(diǎn)已經(jīng)通過(guò)自己的主電源網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，PLC 具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　參考最近推出的意法半導(dǎo)體 STEVAL-IHP007V1評(píng)估套件，它基于ST7580單芯片電力線通信和網(wǎng)絡(luò)解決方案，加上Echelon SmartServer2.0PL網(wǎng)絡(luò)、控制和管理設(shè)備。

　　控制和連接

　　顯著節(jié)能和降低維護(hù)成本是全球互聯(lián)戶(hù)外照明裝置增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。據(jù)廣泛報(bào)道，公共照明可以消耗多達(dá) 40% 的市政能源預(yù)算。成本節(jié)約可能是顯著的，估計(jì)從 30% 到 70% 不等。這些節(jié)省主要是通過(guò)安裝長(zhǎng)壽命、可調(diào)光 LED 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的能源效率，以及重要的是，監(jiān)控照明網(wǎng)絡(luò)的能力。

　　圖 ：連接性是智能路燈的關(guān)鍵，它使控制和監(jiān)控能夠提供能源效率、更簡(jiǎn)單的維護(hù)和安全功能的實(shí)施。資料來(lái)源：飛利浦（CityTouch）

　　在智慧城市中，連接的固態(tài)路燈可以為公用事業(yè)、城市和公眾帶來(lái)額外的好處。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和一些傳感器的加入，路燈成為越來(lái)越多智能城市應(yīng)用的核心，從交通監(jiān)控和停車(chē)管理，到環(huán)境和天氣報(bào)告，再到公共安全和安保設(shè)施，甚至是互聯(lián)網(wǎng)熱點(diǎn)。

　　全市范圍內(nèi)的能源效率可以為減少 CO 2排放做出寶貴貢獻(xiàn)。公共安全改進(jìn)是大多數(shù)城市議程的重點(diǎn)，無(wú)論是簡(jiǎn)單地為夜間駕駛提供更合適的色溫、增加事故現(xiàn)場(chǎng)照明的能力、監(jiān)測(cè)污染，甚至是對(duì)槍擊位置進(jìn)行三角測(cè)量。同時(shí)，使用照明網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為公民、商業(yè)和消費(fèi)者客戶(hù)提供覆蓋范圍更廣的寬帶通信正變得越來(lái)越可行。因此，由于 LED 技術(shù)，不起眼的燈柱正成為重要的數(shù)據(jù)中心。

　　無(wú)論是何種應(yīng)用，關(guān)鍵要求是雙向通信、可控性和連接性。根據(jù)市場(chǎng)研究公司 Strategies Unlimited 在其最近發(fā)布的“互聯(lián)戶(hù)外照明報(bào)告：2015 年照明分析和預(yù)測(cè)”中，預(yù)計(jì)到 2022 年，全球收入將以年均 40% 的速度增長(zhǎng)（復(fù)合年增長(zhǎng)率為 52%）。

　　在連接性方面，已經(jīng)采用了一系列技術(shù)，包括以太網(wǎng)骨干網(wǎng)和低功耗無(wú)線網(wǎng)狀局域網(wǎng)協(xié)議，例如 IP6LoWPAN 和 ZigBee。最近，Wi-Fi 正在成為競(jìng)爭(zhēng)者。然而，在我們?nèi)找鏌o(wú)線化的世界中，還有另一種經(jīng)常被忽視的解決方案：電力線通信 （PLC）。

　　市場(chǎng)報(bào)告強(qiáng)調(diào)了連接技術(shù)，指出盡管無(wú)線通信被廣泛使用，但有線通信技術(shù)將繼續(xù)成為一系列戶(hù)外應(yīng)用的更合適選擇，尤其是在隧道和偏遠(yuǎn)的道路上。然而，無(wú)論是有線還是無(wú)線，一個(gè)突出的問(wèn)題是各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的互操作性和兼容性的需求，這將促進(jìn)更具競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)并刺激更快速的增長(zhǎng)。

　　PLC 的好處

　　PLC是轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED路燈的城市不應(yīng)忽視的解決方案。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，它已經(jīng)被證明是智能電網(wǎng)和智能電表應(yīng)用的熱門(mén)路線。PLC 已被用于連接尚未更新為固態(tài)燈具的街道照明網(wǎng)絡(luò)。重點(diǎn)是; 該技術(shù)已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，并且可以從許多供應(yīng)商處獲得。

　　利用現(xiàn)有的電力線基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信可以節(jié)省安裝時(shí)間和成本。它可以與射頻無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用，以利用這兩種方法的優(yōu)勢(shì)。PLC 相對(duì)于無(wú)線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括：不受天氣影響、基于電纜的固有安全性以及不受其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。此外，信號(hào)傳輸不能被樹(shù)木或建筑物等障礙物阻擋；事實(shí)上，使用 PLC，通信是通過(guò)隧道在地下保持的。

　　本質(zhì)上，PLC 在同時(shí)用于電力傳輸?shù)膶?dǎo)體上攜帶數(shù)據(jù)。它通過(guò)向布線系統(tǒng)添加調(diào)制載波信號(hào)來(lái)運(yùn)行。不需要額外的數(shù)據(jù)電纜。PLC 模塊可以很容易地安裝在燈柱中，并且可能安裝在燈桿的底部而不是燈具本身。

　　顯然，電源線可能是嘈雜的環(huán)境，設(shè)計(jì)人員需要注意應(yīng)對(duì)可能的干擾。這些可能來(lái)自多種來(lái)源，包括：巨大的負(fù)載阻抗變化、選擇性 PLC 載波頻率的衰減以及來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備（例如開(kāi)關(guān)模式電源和逆變器）的噪聲干擾。但是，PLC 經(jīng)常獨(dú)占使用從 50 到 50 kHz 的整個(gè) PLC 頻譜。解決可能干擾的技術(shù)包括使用 OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，該技術(shù)使用多個(gè)載波頻率和單載波跳頻。解決負(fù)載阻抗、線路衰減和噪聲干擾的另一種方法是改變發(fā)射輸出功率和節(jié)點(diǎn)之間的載波頻率。

　　在典型安裝中，本地集中器/網(wǎng)關(guān)收發(fā)器提供多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的雙向通信，通常使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌嚯x為 2 到 5 公里，具體取決于設(shè)備規(guī)格。數(shù)據(jù)通常使用 3G/GSM/手機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨踩姆?wù)器和管理系統(tǒng)或控制中心（圖 2）。一些最近推出的智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)現(xiàn)在正在將 PLC 與 IPv6/6lowPAN 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，無(wú)縫結(jié)合有線和無(wú)線技術(shù)。

　　圖 ：基于電力線通信的典型自動(dòng)化路燈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。資料來(lái)源：Maxim Integrated。

　　雙向通信很重要，因此可以將傳感器數(shù)據(jù)和燈狀態(tài)傳輸?shù)娇刂浦行?，并將開(kāi)/關(guān)和調(diào)光命令發(fā)送到每個(gè)燈驅(qū)動(dòng)器。雖然 PLC 主要用于網(wǎng)關(guān)和燈具之間的數(shù)據(jù)傳輸，但可以根據(jù)需要在燈具內(nèi)部和燈具之間使用輔助射頻網(wǎng)絡(luò)（ZigBee 很流行）。

　　照明領(lǐng)域的主要參與者，包括億光、歐司朗和飛利浦照明，正與思科、埃施朗和 Paradox Engineering 等跨國(guó)系統(tǒng)公司合作，為全市范圍內(nèi)的 LED 街道照明方案建造和安裝燈具、驅(qū)動(dòng)器和控制中心?？?a target="_blank">編程邏輯控制器。在半導(dǎo)體陣營(yíng)中，包括 STMicroelectronics 和 Maxim Integrated 在內(nèi)的公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了關(guān)鍵組件，例如基于微控制器內(nèi)核的收發(fā)器，專(zhuān)門(mén)針對(duì) PLC 和街道照明應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

　　集成 SoC 縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間

　　例如，意法半導(dǎo)體的ST7580是一款高度集成且靈活的電力線網(wǎng)絡(luò)片上系統(tǒng) （SoC）。該器件結(jié)合了高性能 PHY 處理器內(nèi)核、協(xié)議控制器和完全集成的用于線路驅(qū)動(dòng)的模擬前端和功率放大器，是一種有效的單芯片窄帶電力線通信解決方案。作為一個(gè)完全集成的 SoC，它可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間以及空間和組件成本。

　　就在最近，ST 推出了STEVAL-IHP007V1評(píng)估板，該評(píng)估板被描述為具有管理街道照明網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能的電力線通信模塊。它基于 ST7580，還集成了 STM32F ARM ? Cortex ? -M3 微控制器。該模塊適用于 EN50065、FCC 第 15 部分和 ARIB 兼容應(yīng)用，支持 B-FSK、B-PSK、Q-PSK 和 8-PSK 調(diào)制，并具有雙通道操作模式、卷積 ECC 和信噪比估計(jì)。它還包含一個(gè) 128 位 AES 加密塊，用于安全通信。安全正成為一個(gè)主要問(wèn)題，因?yàn)榭植婪肿釉絹?lái)越多地利用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行破壞性通信或破壞活動(dòng)。

　　ST 的集成功率放大器可提供高達(dá) 1 A RMS的輸出電流，并簡(jiǎn)化了線路耦合網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)低成本 BOM。UART 主機(jī)接口可用于與外部主機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備及其協(xié)議棧的遠(yuǎn)程配置和控制。標(biāo)準(zhǔn)串行通信端口允許設(shè)計(jì)人員將模塊與 ST 和其他供應(yīng)商的照明驅(qū)動(dòng)板和鎮(zhèn)流器控制器集成。由于其固有的可擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)接口，ST 的智能路燈系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)配置和管理的靈活性。

　　開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)

　　在系統(tǒng)解決方案層次結(jié)構(gòu)中上移一級(jí)是 Echelon 的SmartServer 2.0PL PROF SR2網(wǎng)絡(luò)控制和管理設(shè)備。該服務(wù)器具有本地和遠(yuǎn)程控制功能，既可以獨(dú)立使用，也可以與第三方控制系統(tǒng)集成使用。它具有適用于一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序，并帶有用于設(shè)置、監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理功能的內(nèi)置網(wǎng)頁(yè)。

　　圖 ：Echelon 的 SmartServer 連接照明方法，結(jié)合了電力線和射頻通信技術(shù)。

　　SmartServer 2.0PL PROF SR2是內(nèi)置路燈段控制的 PLC 版本，還支持使用電力線和射頻段的路燈控制器的網(wǎng)格重復(fù)。通過(guò)內(nèi)部 10/100BaseT 以太網(wǎng)或外部 GSM/GPRS 或 3G 調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行連接。Echelon 基于 PLC 和 RF 的戶(hù)外照明開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)方法已在全球城市部署

　　結(jié)論

　　電力線通信為創(chuàng)建連接的路燈網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)明顯的起點(diǎn)。憑借性能和安全優(yōu)勢(shì)以及（通常）比 RF 網(wǎng)絡(luò)更容易安裝，作為系統(tǒng)主干安裝的基于 PLC 的網(wǎng)絡(luò)可以與無(wú)線技術(shù)結(jié)合使用，以利用這兩種方法。本文展示了高度集成和基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的組合如何為智慧城市中的互聯(lián)街道照明提供高效、可擴(kuò)展且具有成本效益的解決方案。