CN104994015A - 基于无线射频与电力线载波相结合的rf-plc网关系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线射频与电力线载波相结合的RF-PLC网关系统，所述系统包括无线射频模块、电力线载波模块、以及扩展板，所述无线射频模块和电力线载波模块通过若干引脚相连，所述扩展板与无线射频模块和电力线载波模块分别通过引脚相连，且所述扩展板作为无线射频模块和电力线载波模块的电源提供方。本发明够将无线射频与电力线载波相结合，RF-PLC网关系统可应用于不同的场景之中，具备操作简单、运行稳定、功耗低等优点。

Description

基于无线射频与电力线载波相结合的RF-PLC网关系统

技术领域

本发明涉及无线射频(RF)及电力线载波(PLC)技术领域，特别是涉及一种基于无线射频与电力线载波相结合的RF-PLC网关系统。

背景技术

随着科学技术水平的不断提升，人类社会的科技文明已经步入了高速运转的信息时代，同时，在经济全球化的背景之下，现代通信技术不再局限于一隅，获得了更大的突破，无线射频通信与电力线载波通信便是其中最为常见两种通信技术。

无线射频通信主要依靠电磁波为传输媒介进行数据传播，近年来其发展速度越来越快，其中无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)作为当前嵌入式与物联网领域的研究热点，是无线射频通信的主要应用。当然，无线射频通信还深入到各行各业之中，应用范围越来越广，在不久的将来，它的发展前景还将更加广阔。

虽然无线射频通信技术近年来进步明显，但是电力线载波通信技术在日常生活当中仍然不可取代。电力线载波通信主要依靠导线作为媒介进行传播，保证了数据传输的高效率和稳定性，同时，增强了对其他信号的抗干扰能力，因此采取电力线载波通信降低了故障发生的概率。

基于上述内容，尽管无线射频技术的发展势头不可阻挡，但是在功能层次上电力线载波通信的地位也是不可动摇的，事实上，两者的发展步调是并驾齐驱的，功能应用是相辅相成的。因此，寻找无线射频通信与电力线载波通信之间的平衡点将是本发明研究的重点，通过将无线射频通信与电力线载波通信融合起来从而构建出一个高效的通信网络体系，这对于通信产业的发 展将带来巨大的促进作用。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于无线射频与电力线载波相结合的RF-PLC网关系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无线射频与电力线载波相结合的RF-PLC网关系统。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于无线射频与电力线载波相结合的RF-PLC网关系统，所述系统包括无线射频模块、电力线载波模块、以及扩展板，所述无线射频模块和电力线载波模块通过若干引脚相连，所述扩展板与无线射频模块和电力线载波模块分别通过引脚相连，且所述扩展板作为无线射频模块和电力线载波模块的电源提供方。

作为本发明的进一步改进，所述无线射频模块为KW01模块，所述电力线载波模块为PL3300H模块。

作为本发明的进一步改进，所述KW01模块包括第一写入器接口、电源模块、射频电路、第一晶振电路、和第一复位电路，所述PL3300H模块包括第二写入器接口、PLC输入输出滤波电路、第二晶振电路以及第二复位电路。

作为本发明的进一步改进，所述PL3300H模块还包括电源滤波电路，电源滤波电路中包括若干并联设置的滤波电容。

作为本发明的进一步改进，所述第一晶振电路和第二晶振电路为芯片及外设模块提供工作时钟，使用的外部晶振大小为9.6MHz，晶振电路通过芯片的XTIOC引脚输出的时钟信号作为外部时钟源。

作为本发明的进一步改进，所述第一复位电路和第二复位电路分别包括用于上拉复位引脚的电阻、以及滤除杂波的电容；所述第一写入器接口和第 二写入器接口分别与数据的输入/输出引脚SDA和时钟线引脚SCL相连。

作为本发明的进一步改进，所述PLC输入输出滤波电路包括耦合电路、信号输出放大电路、及信号接收电路。

作为本发明的进一步改进，所述PLC输入输出滤波电路中：

耦合电路用于实现弱电与强电的分离并为载波信号提供通路，耦合电路由电容、电感和耦合变压器组成，电容和电感串联组成了谐振电路，用于滤除杂波对信号的干扰，耦合变压器用于强电与弱电的分离；

信号输出放大电路的用于将PL3300H模块输出的模拟信号放大，并经过滤波之后，由耦合电路将信号发送到电力线上，模拟信号信号由PSK_OUT引脚进入信号输出放大电路，经过功率放大模块SP8M3放大之后再进入耦合电路；

信号接收电路用于电力线上的信号接收，其包括用于消除电力线上高频干扰的瞬变电压抑制二极管、由电容和电感组成的并联谐振电路、以及耦合电容。

作为本发明的进一步改进，所述扩展板包括电源转换电路，所述电源转换电路包括变压器和稳压电路，用于将输入电压转换为KW01模块与PL3300H模块的工作电压。

作为本发明的进一步改进，所述KW01模块包括PTA1_RX0、PTA2_TX0.、P5V、GND四个引脚，所述PL3300H模块包括TX、RX、5V、GND四个引脚，KW01模块的四个引脚与PL3300H模块的四个引脚分别对应连接。

本发明的有益效果是：

本发明的RF-PLC网关系统能够将无线射频与电力线载波相结合，从而构建出一个高效的通信网络系统，这对于通信产业的发展将带来巨大的促进作用。RF-PLC网关系统可应用于不同的场景之中，如：路灯控制系统、水质监测系统、智能家居以及医疗领域等，RF-PLC网关能够适应这些场景的特殊环 境，同时具备操作简单、运行稳定、功耗低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施方式中RF-PLC网关系统的模块示意图；

图2为本发明一具体实施方式中KW01模块对外接口示意图；

图3为本发明一具体实施方式中PL3300H模块内电源滤波电路的电路图；

图4为本发明一具体实施方式中晶振电路的电路图；

图5为本发明一具体实施方式中复位电路及写入器接口电路的电路图；

图6为本发明一具体实施方式中PLC输入输出滤波电路的电路图；

图7为本发明一具体实施方式中电源转换电路的电路图。

图8为本发明一具体实施例中智能路灯控制系统的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

无线射频(Radio Frequency，RF)属于一种低功耗、低成本、低复杂度无线传输技术，主要采用电磁波作为传输媒介，所用到的工作频段有低频，中高频，超高频，频率在300KHz～300GHz之间。从上世纪40年代至今，无 线射频技术得到了快速的发展，无线射频技术给嵌入式领域带来了重大的变革，它突破了空间的局限性，提高了点对点通信的灵活性。无线射频技术具有如下的特点：

(1)安装方便。依靠电磁波作为传输媒介，无需单独布线，安装方便，缩短了研发周期，出现问题时，减少了对线路排查的工作量，使得维护也变得方便。

(2)适应性好。山地、湖泊、林区等特殊的地理环境下，架线比较困难，采用无线射频方式可以很好地解决这个问题。

(3)可配合天线。对天线有一定的依赖性，天线可以大大增强无线传输的信号强度，提高传输效率，但是天线损坏的情况下也将极大的影响无线射频通信，出现信号强度变弱甚至信号中断的现象。

(4)抗干扰性差。易受天气、地形以及其他无线电等因素的影响，使得通信的安全性和可靠性都变得较差。

(5)误码率高。传输频繁会使无线节点出现丢失数据的情况，而且易受物体的阻挡，信号会随着距离的增加明显衰减。

低压电力线载波(Power Line Carrier，PLC)是指以低压电力线(380V/220V电力线)为数据通信的硬件载体的一种通信方式。电力线载波技术具有如下的特点：

(1)无需重新架线。电力线载波技术利用现有的电力线进行数据传输，无需重新架线，大大降低了成本。

(2)易受电力线影响。由于电力线载波技术的传输媒介是电力线，因此遇上线路维修便无法正常工作，并且配电变压器对电力线载波信号有阻隔作用。

(3)高削减。电力线的负荷对载波信号有很大的影响，当电力线空载时，电力线载波点对点的通信距离理论上可以达到几公里；当电力线负荷很重时， 通信距离可能只有几十米。

(4)高噪声。电力线上会接各种各样的用电器，会产生高噪声，对电力线载波信号有很大的影响。

本发明旨在设计一种无线射频通信与电力线载波通信的转换网关RF-PLC，主要用于在特定情况下实现无线射频通信与电力线载波通信的结合与转换。本网关应具备的主要功能如下：

(1)无线射频通信功能

RF-PLC网关应具备在短距离、通信环境较好情况下，进行无线射频通信的能力。主要为针对电力线载波通信的互补性通信，包括过变压器、无法架设电力线等场景。

(2)电力载波通信功能

网关应具备在远距离、信号干扰较大的环境内，能够以现有的220V的电力线为通信渠道，实现高稳定性的有线通信传输的能力。

(3)无线射频与电力线载波相互转化

在通信情况变化的特定情况下(如遇变压器或无电力线)，能够识别当前情况，并进行通信方式的转变，将通信数据无损失的由无线射频通信模式(或电力线载波通信模式)切换为电力线载波通信模式(或无线射频通信模式)，实现两种方式的无缝对接，并进行下一种通信方式的传输。

(4)物联网终端设备核心控制

RF-PLC是面向应用的，除了应具有本发明所创新提出的可转换网关之外，还应具有物联网终端设备的核心控制能力，能够适应不同的应用场景需求。因此在设计时，应适当预留出功能接口，以应对实际需求。主要包括对接入模块实时数据采集、参数配置、数据查询等功能的控制。由于本发明创新点在于网关的设计，因此，这部分不作为重点阐述。

参图1所示，本发明的第一实施方式中，一种基于无线射频与电力线载 波相结合的RF-PLC网关系统，包括无线射频模块10、电力线载波模块20、以及扩展板30，无线射频模块10和电力线载波模块20通过若干引脚相连，扩展板30与无线射频模块10和电力线载波模块20分别通过引脚相连，且扩展板作为无线射频模块和电力线载波模块的电源提供方。

本实施方式中，无线射频模块选用飞思卡尔公司于2013年推出的无线射频芯片KW01模块，所述电力线载波模块选用北京福星晓程电子科技股份有限公司推出的电力线载波芯片PL3300H模块。

在RF-PLC的硬件设计中，KW01模块是直接调用的成型板，无需对其进行硬件设计，只需给出模块的对外接口说明及整体测试方法即可。因此，本网关的硬件部分主要是对PL3300H模块以及扩展板进行设计。在对PL3300H芯片分析的基础上，设计出芯片的最小系统电路以及PLC输入输出滤波电路，并对PL3300H芯片的引脚进行功能删减，适当的引出所需的引脚。整个过程包括PL3300H的画板、制板以及测试。经过对KW01模块和PL3300H模块的对外接口的分析进行扩展板的设计，扩展板的主要功能是为KW01模块与PL3300H模块所引出的引脚进行接线，并作为这两块板子的电源提供方，扩展板的设计过程包括画板、制板以及测试。将KW01模块、PL3300H模块和扩展板实现无缝对接之后便组成了RF-PLC的硬件部分。

由于KW01模块内部集成了基于ARM Cortex-M0+内核的32位MCU MKL26Z128，其处理能力远远高于PL3300H模块，因此，本发明的设计采用KW01模块作为RF-PLC网关中的主控模块，PL3300H只作为电力线载波部分的控制模块，可以将KW01模块看作人体的“大脑”，而PL3300H模块则是人体的感官模块，将“感受”到的信息传输给“大脑”，两个模块之间通过通用串口进行通信。在实际应用当中，当采用无线通信模式时，PL3300H模块不会工作，数据信号直接进入KW01模块进行相关处理；当采用电力线载波通信时，收到数据信号的PL3300H模块会通过串口发送给KW01模块进行下一 步的处理。

如图1所示，本实施方式中KW01模块包括第一写入器接口、电源模块、射频电路、第一晶振电路、和第一复位电路，PL3300H模块包括第二写入器接口、PLC输入输出滤波电路、第二晶振电路以及第二复位电路。

本发明硬件设计的重点部分是PL3300H模块以及扩展板的电路设计。KW01模块、PL3300H模块以及扩展板实现完美对接，两模块通过TTL串行接口相连接，RX和TX是串行通用接口输入/输出端，同时，KW01模块与PL3300H模块的工作电压都是5V，可由外部直接提供，因此，在本文的设计中将两个模块的电源引脚通过扩展板上的走线连接在一起，并由扩展板进行供电。同样的两个模块的地也连接在一起。在PL3300H模块电路具体设计时，本文基于嵌入式构件化原则将硬件不同的功能模块和电路封装成独立的硬件单元，并为其提供规范的输入和输出接口，然后再对这些硬件单元进行“组装”，完成模块的硬件设计。

KW01模块对外接口 

KW01模块对外接口是核心板所引出的功能引脚接口，其接口图如图2所示，从图2中可以看出，在设计核心板时，要适当的对功能引脚进行划分，并尽量将功能相似的引脚设计在同一处，这样减小了不同功能引脚在走线方面出现穿插的可能性，也提高了硬件的可靠性和安全性，符合嵌入式硬件构件化设计原则。

KW01芯片总共提供5个端口和60个功能引脚，经过功能删减，在模块的设计时共引出27个功能引脚，其中包括2个电源引脚和2个地引脚，各引脚的功能说明如表1所示，表中出现了两个GPIO引脚PTB17，这个主要是为了对称性和美观性，引出了两个PTB17引脚。

表1KW01模块引脚功能说明

PL3300H模块还包括电源滤波电路，参图3所示，PL3300H模块正常工作的电压范围为2.7V至5.5V，为了确保工作电压的稳定输入，降低电流波动给电路带来的影响，滤波电路通过添加一些电容进行滤波。

晶振电路： 

晶振电路的功能是为芯片以及其他的外设模块提供精准的工作时钟，保证嵌入式系统正常工作，PL3300H的晶振电路较为简单，如图4所示，使用的外部晶振大小为9.6MHz，该晶振通过芯片的XTIOC引脚输出的时钟信号作为MCU的外部时钟源。

复位电路及写入器接口电路：

PL3300H的复位及ISP写入器接口电路如图5所示，复位电路的设计只需要通过电阻R1将复位引脚上拉即可，再通过电容C9滤除杂波，防止芯片复位时受电磁干扰。PL3300H电力线载波芯片内部集成了ISP串行程序写入器接口，ISP写入器接口电路的设计较为简单，仅需要两根线即可完成程序的写入功能，其中，SDA是数据的输入/输出引脚；SCL是时钟线引脚。

PLC输入输出滤波电路：

PL3300H内部集成的扩频模块完成了数据信号的扩频、调制以及解调操 作，因此，外部的输入输出滤波电路则需要包括耦合电路、信号输出放大电路、及信号接收电路，如图6所示。

耦合电路主要是实现弱电与强电的分离并为载波信号提供通路，其设计较为简单，如图6所示，耦合电路由电容C16、电感L2和耦合变压器T1组成，电容C16和电感L2串联组成了谐振电路，用于滤除杂波对信号的干扰；耦合变压器T1用于强电与弱电的分离。

信号输出放大电路的功能是把PL3300H输出的模拟信号放大，并经过滤波之后，由耦合电路将信号发送到电力线上。信号经过PL3300H调制之后比较微弱，需要经过放大之后才能在电力线上正常传输，如图6中所示，信号由PSK_OUT引脚进入放大电路，经过功率放大模块SP8M3放大之后再进入耦合电路，SP8M3是N沟道和P沟道组合的功率放大MOSFET模块，具有体积小、功率大、导通电阻小、对称性好等优点。同时R5用于增大放大电路的内阻，防止阻抗过小时对芯片造成损害；D1、D2为保护二极管，起到电位钳的作用，用于防止电力线上的干扰信号对内部电路产生影响；电容C15和电感L1串联组成了谐振电路，当输出电流过大时，载波信号不会严重失真，同时，当处于接收状态时，可以消除外部电路的干扰，保护电路。

信号接收电路主要用于电力线上的信号接收。如图6中的载波接收电路，瞬变电压抑制二极管TVS1用于消除电力线上高频的干扰，保护内部电路；R7在接收信号时可以有效吸收衰减；电容C21、C22和电感L3组成并联谐振电路，完成有效信号的滤波；C17是耦合电容，起到隔直通交的作用。

扩展板设计： 

根据对KW01模块以及PL3300H模块的对外接口的分析进行了RF-PLC扩展板的设计，由于RF-PLC的主要功能已由主控模块KW01以及从模块PL3300H完成，对于扩展板的设计就较为简单，仅需为KW01模块与PL3300H模块所引出的引脚进行接线，并作为这两个模块的电源提供方。KW01模块 与PL3300H模块的工作电压均为5V，PL3300H模块上电力线载波部分的工作电压为12V，同时，PL3300H模块用于电力线通信，需接220V电压。经分析后，本文设计的RF-PLC网关采用220V供电，并经过电源转换电路输出12V和5V的电压，电源转换电路如图7所示，220V通过变压器和稳压电路，便可转换为12V和5V。

KW01模块与PL3300H模块通过串口进行通信，因此在设计两个模块引脚接线时，扩展板应将对应的两个模块之间的串口通信引脚进行连接，同时由于KW01模块与PL3300H模块的工作电压相同，可在扩展板上将两个模块的供电引脚接在一起，地接在一起。表2给出了KW01模块与PL3300H模块的引脚连接说明。

表2KW01模块与PL3300H模块的引脚连接

在本发明的一具体实施例中，将发明设计的RF-PLC网关系统应用到路灯系统当中，路灯系统采用RF-PLC网关作为终端监控设备，配合简易的操作界面，使用户在无需了解路灯系统设计原理的情况下，完成对路灯设备的按需调控，这样有效地节约了用电成本，减少能耗，使路灯系统的管理进入智能化、信息化和自动化的阶段。图8为智能路灯控制系统的结构图。系统主要由主控计算机、RF-PLC网关和单灯控制器组成。一个单灯控制器负责监控两种路灯，分别为人行道与车行道上的灯，单灯控制器中均有一个RF-PLC网关，负责检测灯的电流电压值、控制灯的开关、处理数据帧等，图中模拟了带有变压器的路灯控制场景，单一的采用电力线载波控制时，用户无法对变压器右侧的单灯控制器进行控制，这里可以通过RF-PLC网关将命令帧的传输方式 从有线方式转化为无线方式越过变压器对单灯控制器形成控制。整个系统提供无线控制与PLC控制两种方式。通过对单灯控制器的地址编址以达到对路灯的控制，每个单灯控制器均具备数据帧的转发功能。其中，系统中的RF-PLC网关通过串口与PC端通信。

综上所述，与现有技术相比，本发明的RF-PLC网关系统能够将无线射频与电力线载波相结合，从而构建出一个高效的通信网络系统，这对于通信产业的发展将带来巨大的促进作用。RF-PLC网关系统可应用于不同的场景之中，如：路灯控制系统、水质监测系统、智能家居以及医疗领域等，RF-PLC网关能够适应这些场景的特殊环境，同时具备操作简单、运行稳定、功耗低等优点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于无线射频与电力线载波相结合的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述系统包括无线射频模块、电力线载波模块、以及扩展板，所述无线射频模块和电力线载波模块通过若干引脚相连，所述扩展板与无线射频模块和电力线载波模块分别通过引脚相连，且所述扩展板作为无线射频模块和电力线载波模块的电源提供方。

2.根据权利要求1所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述无线射频模块为KW01模块，所述电力线载波模块为PL3300H模块。

3.根据权利要求2所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述KW01模块包括第一写入器接口、电源模块、射频电路、第一晶振电路、和第一复位电路，所述PL3300H模块包括第二写入器接口、PLC输入输出滤波电路、第二晶振电路以及第二复位电路。

4.根据权利要求3所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述PL3300H模块还包括电源滤波电路，电源滤波电路中包括若干并联设置的滤波电容。

5.根据权利要求3所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述第一晶振电路和第二晶振电路为芯片及外设模块提供工作时钟，使用的外部晶振大小为9.6MHz，晶振电路通过芯片的XTIOC引脚输出的时钟信号作为外部时钟源。

6.根据权利要求3所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述第一复位电路和第二复位电路分别包括用于上拉复位引脚的电阻、以及滤除杂波的电容；所述第一写入器接口和第二写入器接口分别与数据的输入/输出引脚SDA和时钟线引脚SCL相连。

7.根据权利要求3所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述PLC输入输出滤波电路包括耦合电路、信号输出放大电路、及信号接收电路。

8.根据权利要求7所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述PLC输入输出滤波电路中：

耦合电路用于实现弱电与强电的分离并为载波信号提供通路，耦合电路由电容、电感和耦合变压器组成，电容和电感串联组成了谐振电路，用于滤除杂波对信号的干扰，耦合变压器用于强电与弱电的分离；

信号输出放大电路的用于将PL3300H模块输出的模拟信号放大，并经过滤波之后，由耦合电路将信号发送到电力线上，模拟信号信号由PSK_OUT引脚进入信号输出放大电路，经过功率放大模块SP8M3放大之后再进入耦合电路；

信号接收电路用于电力线上的信号接收，其包括用于消除电力线上高频干扰的瞬变电压抑制二极管、由电容和电感组成的并联谐振电路、以及耦合电容。

9.根据权利要求3所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述扩展板包括电源转换电路，所述电源转换电路包括变压器和稳压电路，用于将输入电压转换为KW01模块与PL3300H模块的工作电压。

10.根据权利要求9所述的RF-PLC网关系统，其特征在于，所述KW01模块包括PTA1_RX0、PTA2_TX0.、P5V、GND四个引脚，所述PL3300H模块包括TX、RX、5V、GND四个引脚，KW01模块的四个引脚与PL3300H模块的四个引脚分别对应连接。