智能楼宇不再难：意法半导体电力线调制解调器嵌入IPv6协议

摘要

    当你驾车回家时，车库门自动开启，无需按任何按钮；当你穿过一条小路时，路灯自动提高亮度，如果后面没有其他人，路灯还会自动降低亮度；当你打开房门时，喇叭自动播放你最喜欢的音乐，LED照明灯点亮你的房间，光线颜色和亮度都是你最喜欢的类型。洗衣机、洗碗机等所有家电全都由智能电表管理，按照你的用电曲线为你节能电能。

    不论是繁华的都市，还是偏僻的乡村，随着楼宇智能化程度不断提高，我们看到，全球新建筑正在发生巨变，而且变化速度非常快。楼宇智能化概念将有助于未来建筑业取得巨大成功。

    为实现上述设想的应用场景，意法半导体开发出了各种半导体产品，例如，为高效电源管理设计的电源芯片，基于ARM CORTEX M0/3/4内核的整合超低功耗技术的高性能微控制器，保障通信安全的安全微控制器，以及采用MEMS技术的环境和运动传感器、RFID存储器、NFC控制器等产品。

    实现这些设想，仅凭智能楼宇本身是不行的，还需要建立一个智能楼宇社区。为此，意法半导体开发出智能楼宇通信产品，例如，低于1GHz的射频收发器芯片、电力线调制解调器、2.4GHz射频收发器等通信芯片。

    本文介绍一个内置IP（互联网协议）技术的电力线调制解调器解决方案。

前言
    今天的智能楼宇概念不仅包含防盗报警系统和传统的家庭自动化(暖通空调、百叶窗控制、照明灯具控制)，还包括采用新型尖端建材且能够监控每一个家电能耗的高能效楼宇系统。  这样，一处房子能够按照能源企业的价格为消费者提供适量的能源。智能楼宇系统可以从户外的智能水表、燃气表和电能表收集相关能耗信息，例如，水电气费和平均使用量，然后通过室内显示屏供消费者查询，提高消费者的节能意识。此外，自动抄表基础设施（AMI）使系统能够实时更新这些信息，让水电燃气等能源企业能够远程监控表和读表，定期交换信息。这样，智能表将能够报告实际能耗数据，而不是仅估计使用量数据。该智能表有两路不同的信道，一条信道与家庭区域网络（HAN）交换信息，另一条与居民小区网络（NAN）和大区域网络（WAN）上的能源供应企业通信。

    在上面的智能楼宇自动化场景中，信息交换可以使用不同的技术：以太网、WiFi、蓝牙、1GHz以下射频、电力线调制解调(PLM)和KONNEX、WMBUS、IP等不同的通信协议。

    我们稍后将讨论如何在窄带或宽带电力线上使用IPv6技术监控智能家电、照明灯光、智能计量表等装置设备。

    以传统的110V-230V电力线为物理通信媒介，电力线调制解调器采用数字技术传输数据。欧洲有一个叫做CENELEC的互连互通法规，该法规指定供电企业和电力用户应该使用哪一种频率调制技术。

    互联网协议又称IP，是一个信息通信技术（ICT）协议标准，上网的人每天在都使用这项技术。智能楼宇通信导入IP技术有一大优点：楼宇的环境装置、传感器、电表和标准PC、笔记本电脑和网络服务能够轻松互动，扩展能力接近无限。这些设备联网创建的独特环境叫做物联网(IoT)。

    目前IP协议有两个版本： IPv4和IPv6。后者将会取代前者。

    在物联网中，每个智能装置在接入互联网时都被分配一个IP地址，同时拥有可接受的通信安全等级。

内置IPv6协议的电力线调制解调器

IPv6 概述

    IPv6互联网协议技术将会取代当今的IPv4，进一步扩大联网功能，将网络地址空间从IPv4的32位扩展到128位，导入更简单的地址分配过程和路由器信息转发，原生支持网络安全。 IPv6技术天生就运行在IEEE-802.3(以太网)、IEEE-802.11 (Wi-Fi)和原生支持IPv6流量的数据链路层之上。不过，物联网产品必须保持低功耗，支持低比特率和小数据包，基于IEEE-802.15.4衍生的数据链路层。因此，IPv6协议在数据链路层上运行需要一个适配层； 最常用的适配层是6LowPAN适配层，该技术规范与IPv6和 IEEE-802.15.4合称为物联网三大标准。6LowPAN适配层用于调整两个不同网络的数据包大小、地址分辨率和路由，以适用不同的网络拓扑，即便多数应用设计采用IP层路由，也需要适配过程。

嵌入IEEE-802.15.4技术的意法半导体电力线调制解调器
    IEEE-802.15.4数据链路层规范和和6LowPAN适配层原本是为无线网络设计开发的，今天，随着窄带网络技术性能不断提高，该技术规范同样适用于电力线调制解调器。G3是首个从IEEE-802.15.4规范演化出来的电力线调制解调通信规范，同时还可用于其它非OFDM的调制解调器。

    按照数据吞吐量和通信协议规范划分，意法半导体提供多款不同的电力线调制解调器芯片。

    ST7540是一款低速率(最高4800 bps)的B-FSK调制解调器，是所有协议层（从物理层到应用层）都需要定制的应用设计的理想选择。ST7570是另一款低速通信产品（属于STarGRID系列），与IEC 61334-5-1标准的兼容性达到MAC层，高层通信协议，例如，DLMS / COSEM，交由主微控制器处理。

    意法半导体的ST7580是STarGRID系列中灵活性最高的高速率（28.8 kbps）产品，支持多个不同的调制方法：S-FSK或BPSK、QPSK和8PSK，原生实现物理层数据成帧。不过，高协议层可以定制。意法半导体还提供OFDM 解决方案，最高速率高达128.8 kbps，符合 PRIME标准。

    因为应用灵活性出色，ST7580是首选的非OFDM IEEE-802.15.4解决方案。该产品的主要特性如下：
B-PSK、Q-PSK、 8-PSK调制，速率高达28.8 kbps
双信道工作模式
卷积纠错编码
信噪比估算
B-PSK 调制具有防脉冲噪声的PNA模式
成帧服务
检错功能
监听功能
嵌入式AES-128硬件引擎

意法半导体应用评估板
    IPv6解决方案包括ST7580 xPSK调制解调器和一个STM32F1微控制器。下图所示是意法半导体演示板 ，产品订货代码为STEVAL-IPP003V1。

图1: STEVAL-IPP003V1

    演示板包括交流和直流电源总线所需的耦合电路，采用双电压直流电源(13V, 3.3V)，提供一个小口USB端口，方便连接PC机应用。STM32运行IEEE-802.15.4数据链路层固件和包装器程序，以便与ST7580主接口通信。

数据链路层固件
    802.15.4通信MAC层提供的服务能够通过叫做网络协调器的主节点和叫做协调器的多个对等节点创建并管理电力线网络。

图 2: 解决方案固件架构

    电力线网络可采用任何拓扑。在开始发送数据前，协调器节点需要接入网络，然后执行一个叫做“主动扫描”的连接过程。图2所示是固件架构。

MacSapInterface
    上文所述MacSapInterface固件模块向应用层提供MAC服务原语，这些服务原语分为两类：

MAC数据管理(MCPS, MAC)：准许服务管理MAC层收发的数据，决定是否设置信息的优先权；是否给信息加密，是否需要ACK信号。表1所示是MCPS服务。

表 1: MCPS服务

MAC管理实体(MLME)：准许服务管理MAC内部数据库 (MIB)和PANNING(个人区域网络)参数。表2和表3描述了MIB的属性(应用层利用属性修改MAC层的特性)和 MLME服务。

表2: MIB属性

表3: MLME服务

联网顺序
    激活新节点需要一系列步骤，首先搜索网络，如果有网络存在，则加入网络；如果没发现网络，则需要建立一个新网络。待激活节点利用主动扫描搜索网络，联网顺序如图3所示。

图 3:联网顺序

1.MLME-RESET:将硬件 (PLM调制解调器)和Mac层重置为默认参数
应用层发出重置请求并等待重置操作确认
2.MLME-SCAN: 通过索要信标帧来扫描网络节点（如果有节点），在应用层接收信标帧，并确认接收结果
3.MLME-SET:如果MLME-SCAN.confirm是正值 (表示收到几个信标帧)，则将 MAC_SHORTADDRESS_ID 的属性值 (设备短地址)写1，然后将节点设为协调器。
如果MLME-SCANconfirm是负值 (未收到信标帧)，则将节点设为PAN协调器，并将MAC_SHORTADDRESS_ID值归 0 (零)。

结论
    今天，意法半导体的产品组合有助于设计人员轻松实现物联网应用设想，例如，智能楼宇。我们提供基于IPv6协议的复杂的解决方案，包括改进系统可靠性的窄带电力线调制解调器技术。本文讨论的解决方案就是其中的一个示例。

    该解决方案是一个单载波xPSK调制解调器，提供通常只有OFDM调制解调器才具有的IEEE-802.15.4 MAC功能。意法半导体的解决方案导入IPv6互联网协议技术，而这正是OFDM技术的不足之处。该解决方案让物联网能够部署在噪声更大的电力线网络环境中。