內嵌IPv6協議的電力線調制解調器解決方案

　　本文作者：意法半導體公司Filippo Colaianni，Nunzio Dipaola， Vincenzo Mormina

　　摘要

　　當你駕車回家時，車庫門自動開啟，無需按任何按鈕；當你穿過一條小路時，路燈自動提高亮度，如果后面沒有其他人，路燈還會自動降低亮度；當你打開房門時，喇叭自動播放你最喜歡的音樂，LED照明燈點亮你的房間，光線顏色和亮度都是你最喜歡的類型。洗衣機、洗碗機等所有家電全都由智能電表管理，按照你的用電曲線為你節能電能。

　　不論是繁華的都市，還是偏僻的鄉村，隨著樓宇智能化程度不斷提高，我們看到，全球新建筑正在發生巨變，而且變化速度非常快。樓宇智能化概念將有助于未來建筑業取得巨大成功。

　　為實現上述設想的應用場景，意法半導體開發出了各種半導體產品，例如，為高效電源管理設計的電源芯片，基于ARM CORTEX M0/3/4內核的整合超低功耗技術的高性能微控制器，保障通信安全的安全微控制器，以及采用MEMS技術的環境和運動傳感器、RFID存儲器、NFC控制器等產品。

　　實現這些設想，僅憑智能樓宇本身是不行的，還需要建立一個智能樓宇社區。為此，意法半導體開發出智能樓宇通信產品，例如，低于1GHz的射頻收發器芯片、電力線調制解調器、2.4GHz射頻收發器等通信芯片。

　　本文介紹一個內置IP（互聯網協議）技術的電力線調制解調器解決方案。

　　前言

　　今天的智能樓宇概念不僅包含防盜報警系統和傳統的家庭自動化（暖通空調、百葉窗控制、照明燈具控制），還包括采用新型尖端建材且能夠監控每一個家電能耗的高能效樓宇系統。這樣，一處房子能夠按照能源企業的價格為消費者提供適量的能源。智能樓宇系統可以從戶外的智能水表、燃氣表和電能表收集相關能耗信息，例如，水電氣費和平均使用量，然后通過室內顯示屏供消費者查詢，提高消費者的節能意識。此外，自動抄表基礎設施（AMI）使系統能夠實時更新這些信息，讓水電燃氣等能源企業能夠遠程監控表和讀表，定期交換信息。這樣，智能表將能夠報告實際能耗數據，而不是僅估計使用量數據。該智能表有兩路不同的信道，一條信道與家庭區域網絡（HAN）交換信息，另一條與居民小區網絡（NAN）和大區域網絡（WAN）上的能源供應企業通信。

　　在上面的智能樓宇自動化場景中，信息交換可以使用不同的技術：以太網、WiFi、藍牙、1GHz以下射頻、電力線調制解調（PLM）和KONNEX、WMBUS、IP等不同的通信協議。

　　我們稍后將討論如何在窄帶或寬帶電力線上使用IPv6技術監控智能家電、照明燈光、智能計量表等裝置設備。

　　以傳統的110V-230V電力線為物理通信媒介，電力線調制解調器采用數字技術傳輸數據。歐洲有一個叫做CENELEC的互連互通法規，該法規指定供電企業和電力用戶應該使用哪一種頻率調制技術。

　　互聯網協議又稱IP，是一個信息通信技術（ICT）協議標準，上網的人每天在都使用這項技術。智能樓宇通信導入IP技術有一大優點：樓宇的環境裝置、傳感器、電表和標準PC、筆記本電腦和網絡服務能夠輕松互動，擴展能力接近無限。這些設備聯網創建的獨特環境叫做物聯網（IoT）。

　　目前IP協議有兩個版本： IPv4和IPv6。后者將會取代前者。

　　在物聯網中，每個智能裝置在接入互聯網時都被分配一個IP地址，同時擁有可接受的通信安全等級。

　　內置IPv6協議的電力線調制解調器

　　IPv6 概述

　　IPv6互聯網協議技術將會取代當今的IPv4，進一步擴大聯網功能，將網絡地址空間從IPv4的32位擴展到128位，導入更簡單的地址分配過程和路由器信息轉發，原生支持網絡安全。 IPv6技術天生就運行在IEEE-802.3（以太網）、IEEE-802.11 （Wi-Fi）和原生支持IPv6流量的數據鏈路層之上。不過，物聯網產品必須保持低功耗，支持低比特率和小數據包，基于IEEE-802.15.4衍生的數據鏈路層。因此，IPv6協議在數據鏈路層上運行需要一個適配層；最常用的適配層是6LowPAN適配層，該技術規范與IPv6和 IEEE-802.15.4合稱為物聯網三大標準。6LowPAN適配層用于調整兩個不同網絡的數據包大小、地址分辨率和路由，以適用不同的網絡拓撲，即便多數應用設計采用IP層路由，也需要適配過程。

　　嵌入IEEE-802.15.4技術的意法半導體電力線調制解調器

　　IEEE-802.15.4數據鏈路層規范和和6LowPAN適配層原本是為無線網絡設計開發的，今天，隨著窄帶網絡技術性能不斷提高，該技術規范同樣適用于電力線調制解調器。G3是首個從IEEE-802.15.4規范演化出來的電力線調制解調通信規范，同時還可用于其它非OFDM的調制解調器。

　　按照數據吞吐量和通信協議規范劃分，意法半導體提供多款不同的電力線調制解調器芯片。

　　ST7540是一款低速率（最高4800 bps）的B-FSK調制解調器，是所有協議層（從物理層到應用層）都需要定制的應用設計的理想選擇。ST7570是另一款低速通信產品（屬于STarGRID系列），與IEC 61334-5-1標準的兼容性達到MAC層，高層通信協議，例如，DLMS / COSEM，交由主微控制器處理。

　　意法半導體的ST7580是STarGRID系列中靈活性最高的高速率（28.8 kbps）產品，支持多個不同的調制方法：S-FSK或BPSK、QPSK和8PSK，原生實現物理層數據成幀。不過，高協議層可以定制。意法半導體還提供OFDM 解決方案，最高速率高達128.8 kbps，符合 PRIME標準。

　　因為應用靈活性出色，ST7580是首選的非OFDM IEEE-802.15.4解決方案。該產品的主要特性如下：

　　· B-PSK、Q-PSK、 8-PSK調制，速率高達28.8 kbps

　　· 雙信道工作模式

　　· 卷積糾錯編碼

　　· 信噪比估算

　　· B-PSK 調制具有防脈沖噪聲的PNA模式

　　· 成幀服務

　　· 檢錯功能

　　· 監聽功能

　　· 嵌入式AES-128硬件引擎

　　意法半導體應用評估板

　　IPv6解決方案包括ST7580 xPSK調制解調器和一個STM32F1微控制器。下圖所示是意法半導體演示板，產品訂貨代碼為STEVAL-IPP003V1。