智能風(fēng)勢不可擋電力線通信拓展?jié)摿?yīng)用

幾乎所有裝置都走向智能化，這股不可阻擋的趨勢使得來自網(wǎng)絡(luò)接入端的技術(shù)競爭也日趨激烈。與此同時，消費者需要在數(shù)量日益增加的數(shù)字設(shè)備和電源管理設(shè)備之間無縫共享應(yīng)用，因而他們對家庭網(wǎng)絡(luò)帶寬也有了更高的需求。

在既要滿足互聯(lián)互通安全可靠，又要滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯拢?strong>電力線通信(PLC)成為滿足這一市場需求的最簡易和最可靠的方式之一，它提供全面的寬帶解決方案，可優(yōu)化通過現(xiàn)有電源線、同軸電纜、電話線和其他線纜進行的聯(lián)網(wǎng)。與花費時間和資金連接家庭以太網(wǎng)或部署無線網(wǎng)絡(luò)相比，電力線通信的優(yōu)勢表現(xiàn)得較為明顯，因為前者無法提供數(shù)字視頻和其他多媒體內(nèi)容的流媒體播放所必需的傳輸速度。

不過，雖然業(yè)內(nèi)人士對PLC持認(rèn)可態(tài)度，但絕大多數(shù)認(rèn)為總線型、無線通信和電力線載波通信這三種不同的技術(shù)路線還無法相互替代，并且PLC自身的技術(shù)挑戰(zhàn)和商用挑戰(zhàn)依然存在，因此，目前及未來，有線、無線、電力線多種通信技術(shù)并存智能家居網(wǎng)絡(luò)是產(chǎn)業(yè)趨勢。

鎖定智能家居市場

日前，意法半導(dǎo)體(ST)發(fā)布了一款獨有的ST2100 STreamPlug系統(tǒng)芯片，目標(biāo)應(yīng)用鎖定于全球智能家居和智能能源市場。該芯片已被用于意法半導(dǎo)體與智能家居解決方案領(lǐng)導(dǎo)廠商大同股份有限公司合作開發(fā)的新一代智能產(chǎn)品。

ST首款智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)芯片

作為全球首款智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)芯片，意法半導(dǎo)體的ST2100 STreamPlug集成高性能處理子系統(tǒng)、電力線通信(PLC，Powerline Communication)和數(shù)據(jù)安全功能以及外設(shè)接口，支持目前普遍使用的固網(wǎng)和無線混合網(wǎng)絡(luò)。ST2100支持IEEE 1905.1標(biāo)準(zhǔn)，讓客戶能夠在一個新的網(wǎng)關(guān)或集線器設(shè)計內(nèi)整合以太網(wǎng)、Wi-Fi 等其它網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。ST2100 StreamPlug支持廣泛使用的PLC通信協(xié)議，例如HomePlug AV和HomePlug Green PHY，以及IEEE 1901寬帶電力線接入標(biāo)準(zhǔn)。

ST2100 STreamPlug系統(tǒng)芯片應(yīng)用處理器基于330MHz ARM926EJ-S內(nèi)核，并提供一個外部存儲器管理子系統(tǒng)，采用12mmx12mm TFBGA 373 BGA封裝。在片上還集成一個功能完整的PLC調(diào)制解調(diào)器和模擬前端、USB2.0接口、以太網(wǎng)接口、彩色LCD液晶控制器和專用安全引擎，支持先進加密算法，例如AES、 DES/3DES和IPSec。

從軟件角度看，虛擬機支持功能提供用戶操作系統(tǒng)接口，例如意法半導(dǎo)體自行發(fā)行的Linux Kernel 2.6。PLC協(xié)議支持功能包括最新的IEEE 1901寬帶電力線(BPL)標(biāo)準(zhǔn)，以及廣泛使用的HomePlug標(biāo)準(zhǔn)，例如承載HDTV和VoIP業(yè)務(wù)的200Mbps HomePlug AV，為智能電網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)化的HomePlug Green PHY。

意法半導(dǎo)體與大同的ST2100 STreamPlug系統(tǒng)芯片合作開發(fā)項目取得了多項創(chuàng)新成果，例如大同的 Gateway One網(wǎng)絡(luò)集線器和其它的智能能源產(chǎn)品。Gateway One讓用戶能夠組建整合以太網(wǎng)、WLAN、PLC和多媒體設(shè)備的多業(yè)務(wù)承載家庭網(wǎng)絡(luò)，可進一步改進整個家居的能效、安全、舒適性和便利性。大同的米線電橋(Meter Bridge)和家庭區(qū)域網(wǎng)(HAN，Home-Area Network)讓多單元住宅受惠于智能能源應(yīng)用，同時解決用電量和電費分?jǐn)偟入y題。智能產(chǎn)品M1i和M3為連接電網(wǎng)的設(shè)備提供能源管理以及網(wǎng)絡(luò)連接功能。M1i是為工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化的智能產(chǎn)品，而M3是家用產(chǎn)品，具有插電式電動汽車充電功能。

大同很早以前就認(rèn)識到，在釋放智能能源和智能家居的全部潛能中，一個開放式服務(wù)平臺發(fā)揮著重要作用。大同還表示，Gateway One是一個意義非凡的階段性勝利，但這只是與意法半導(dǎo)體ST2100 STreamPlug系統(tǒng)芯片合作項目取得的開發(fā)成果之一，自CES 2013上聯(lián)合舉行產(chǎn)品發(fā)布會后，已經(jīng)取得了重要成果，整合了多項知識技能。

意法半導(dǎo)體事業(yè)部副總裁兼工業(yè)和功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部總經(jīng)理Matteo Lo Presti表示：“我們與大同的成功合作證明并突顯，這款系統(tǒng)芯片作為一個平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)，滿足橫跨消費電子和工業(yè)市場的智能能源和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。現(xiàn)在設(shè)計人員可以使用這款具有突破性的芯片，我們將提供確保項目成功所需的技術(shù)支持和服務(wù)。”

日系廠商也在聚焦智能家庭嵌入式方案，前不久于橫濱舉行的日本嵌入式技術(shù)大會(Embedded Technology 2013，ET2013)上，不少日本半導(dǎo)體業(yè)者增加了許多模塊與開發(fā)板的展示，這些解決方案包含完整的軟件、傳感器與連接芯片。透露出產(chǎn)業(yè)界正在關(guān)注那些具備立即應(yīng)用潛力的關(guān)鍵功能，例如Echonet Lite(讓不同廠商家電聯(lián)網(wǎng)的新標(biāo)準(zhǔn))、藍牙低功耗、ZigBee、Sub-GHz、電力線網(wǎng)絡(luò)(PLC)，還有各種傳感器、傳感器融合(sensor fusions)與能量采集方案。

現(xiàn)在最大股東是日本政府的瑞薩(Renesas)展示的智能家庭解決方案內(nèi)含與一個智能家庭控制器無線連結(jié)的各種傳感器;而家中的空調(diào)、LED照明等設(shè)備，也可透過同一個控制器、以電力線網(wǎng)絡(luò)(PLC)連接。

瑞薩展示智能家庭解決方案

這種智能家庭方案是采用ECONET Lite通訊協(xié)議，該協(xié)議支持多種物理層包括Sub-GHz、ZigBee與PLC等等。ECONET Lite協(xié)議目標(biāo)是為能源管理與智能公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)，打造互操作性的無線解決方案。ECHONET標(biāo)準(zhǔn)是一個全球通用的家電連網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，2013年8月底發(fā)表，而ECONET Lite則獲得日本政府經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省認(rèn)可，視為日本的智慧家庭標(biāo)準(zhǔn)(Japanese Smart House Standard)。

本土廠商也不甘落后，高通創(chuàng)銳訊(Qualcomm Atheros)在PLC領(lǐng)域耕耘多年，其PLC技術(shù)進入智能家庭的一個典型應(yīng)用案例來自海信(Hisense)。作為國內(nèi)智能家電的領(lǐng)軍企業(yè)，海信行業(yè)首家在其旗艦級智能電視XT800中提供完整Easy-Link無線網(wǎng)絡(luò)連接方案，包括內(nèi)置PLC電力載波裝置、Wi-Fi(2.4G/5G雙頻段)、Wi-Fi Direct和DLNA方式，全部采用高通創(chuàng)銳訊單芯片無線解決方案QCA6410。

深圳市力合微電子有限公司的方案主要基于窄帶OFDM電力線載波通信芯片，構(gòu)造一個完整的由各節(jié)點組成的家居PLC網(wǎng)絡(luò)平臺，可在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)各種通信和控制應(yīng)用。該公司董事總經(jīng)理劉鯤指出，在家庭控制管理系統(tǒng)中，智能照明和智能家電系統(tǒng)的特點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無處不在，但數(shù)據(jù)速率要求并不會太高，因此電力線載波的方式很適宜。節(jié)點可方便地置入各種照明開關(guān)、家用電器、安防傳感器等，節(jié)點之間以及節(jié)點與服務(wù)器節(jié)點之間通過既有電力線實現(xiàn)通信。通過互聯(lián)網(wǎng)，可通過電腦或智能手機實現(xiàn)對家居網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的通信和控制。

雙向通信智能電表

隨著家庭電表、個人設(shè)備和電器開始相互連接，機器到機器(M2M)通信具有無限的可能性，對于正在興起的智能能源來說是一個比較突出的技術(shù)領(lǐng)域。把家庭與本地互聯(lián)網(wǎng)中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到智能電網(wǎng)，可以實現(xiàn)業(yè)主與電力公司之間的雙向通信，這樣的情景正在日益成為趨勢。

市場調(diào)研公司IHS預(yù)測指出，到2016年年底，全球智能電表的安裝量將翻番，推動通信電表達到35%左右的滲透率。事實上在全球已安裝的電表中，帶有“智能”通信功能的電表占比還很低，特別是可提供雙向通信的住宅用智能電表。

IHS預(yù)計，隨著歐洲智能電表項目的投入運行，全球智能電表出貨量將在2015年出現(xiàn)強勁增長。IHS公司表示，預(yù)計各種固定網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電表將在全球各地安裝，從比較簡單的RS485有線型電表到下一代智能雙向PLC-OFDM電表。其中，中國目前被視為“高級電表唯一的一個重要市場”。

IMS Research公司的首席分析師Markides也評論道：“未來五年，多數(shù)發(fā)達國家和正在進行工業(yè)化的發(fā)展中國家，其智能電表市場將蓬勃發(fā)展。不論是為了節(jié)省勞動力成本，配合其它智能電網(wǎng)計劃，還是為了降低非技術(shù)性損耗，全球各地的電力企業(yè)都在加快采用智能電表。”

德州儀器(TI)去年第三季度量產(chǎn)的一款面向智能電表的全集成優(yōu)化型片上系統(tǒng)(SoC)，充分利用了多年豐富的專業(yè)技術(shù)并捍衛(wèi)了其在智能電網(wǎng)市場的主流地位。一個單芯片集計量、應(yīng)用和通信功能于一身，幫助開發(fā)人員為智能電子計量應(yīng)用簡化設(shè)計、提高靈活性并降低系統(tǒng)成本。無需額外的分立組件和冗余接口，其高集成度可為智能電子式電表設(shè)計提高可靠性。

新型智能電表SoC是一個全集成解決方案，整合了三個獨立的引擎。計量引擎可提供0.5%的米級精度，包括對單相或三相電表的支持。符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的獨立ARM Cortex-M3內(nèi)核允許輕松開發(fā)電表管理固件(DLMS/COSEM、高級計量、應(yīng)用配置文件、網(wǎng)絡(luò)堆棧)和安全性，內(nèi)存中閃存高達1MB。獨立靈活的通信引擎包括支持多種標(biāo)準(zhǔn)的電力線通信(PLC)與射頻(RF)通信，旨在幫開發(fā)人員設(shè)計出能和廣域網(wǎng)(WAN)、家用網(wǎng)(HAN)域以及啟用設(shè)備實現(xiàn)通信的產(chǎn)品。

該SoC的特性與優(yōu)勢還包括：支持TI適用于G1、G3、PRIME、IEEE P1901.2、ITU–G.9903及G.9904等所有窄帶PLC標(biāo)準(zhǔn)的plcSUITE軟件;包括多種通信接口，可輕松連接TI的RF收發(fā)器等外部組件，以便在一個單芯片(低于1GHz或2.4GHz)上實現(xiàn)對WAN與HAN的橋接;插裝TI新型智能電表電路板(SMB)3.0，以便支持先進功能及近場通信(NFC)、低于1GHz、ZigBee和Wi-Fi連接選項。

此外，還支持下列TI智能電網(wǎng)軟件：符合EN 50470-1/3、IEC62053-21/22/23、ANSIC12.1/10/20 對單相和三相電表標(biāo)準(zhǔn)的計量庫或metroSUITE;plcSUITE;低于1GHz頻段(包括802.15.4g)的RF通信;在Cortex-M3內(nèi)核上運行的ZigBee智能能源規(guī)范(SEP) 1.x與SEP2.0;為實現(xiàn)設(shè)計易用性和靈活性的預(yù)付費MIFARE、NFC及加密。

PLC商用挑戰(zhàn)

同軸電纜多媒體聯(lián)盟(MoCA)首席技術(shù)官Anton Monk認(rèn)為，在目前的家庭網(wǎng)絡(luò)中，無線及電力線(PLC)適用于聲音及數(shù)據(jù)傳輸，而同軸電纜則是高清視頻應(yīng)用的最佳搭載媒介。原因在于其特有的屏蔽能力能夠消除任何干擾及未授權(quán)訪問，而通常這些問題都是無線及電力線所面臨的挑戰(zhàn)。

而作為電力線通信標(biāo)準(zhǔn)制訂成果最多的主要PLC國際聯(lián)盟，從2000年成立以來，HomePlug聯(lián)盟(HPA)陸續(xù)制訂了一系列的PLC技術(shù)規(guī)范，包括HomePlug 1.0、HomePlug AV、下一代GB等級HomePlug AV2標(biāo)準(zhǔn)、針對智能電網(wǎng)應(yīng)用的HomePlug Green PHY(GP)標(biāo)準(zhǔn)等，形成了一套完整的PLC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，基本上覆蓋了所有電力通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

挑戰(zhàn)還來自市場對窄帶PLC電力線載波通信技術(shù)的接受程度。TI智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)部市場營銷經(jīng)理James Hao說，與傳統(tǒng)FSK方案不同，窄帶OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)能夠提供比較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)安全性，也可以通過多種射頻技術(shù)，例如ZigBee、Wi-Fi、1GHz以下無線射頻技術(shù)，進行實時的數(shù)據(jù)信號傳輸和采集。但因為成本原因，它在中國的商用化進程，仍然需要通過更多的試驗和市場推廣。

美滿電子(Marvell)高級技術(shù)方案經(jīng)理羅勇在此前接受《國際電子商情》采訪時曾表示，無論是同軸電纜(MoCA或HomePNA)，還是電力線(HD-PLC、HomePlug或UPA)，其最顯著的限制就是不同技術(shù)之間存在著很大的差異(調(diào)變機制、錯誤修正機制、信號封包方式、加密方式，以及不同的QoS架構(gòu)等)。如果運營商要在客戶家中安裝一種以上的聯(lián)機方式，就需要安裝多個收發(fā)器。除了增加系統(tǒng)成本之外，對IC廠商來說，也很難通過單一芯片來同時支持這么多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而由于沒有國際標(biāo)準(zhǔn)組織強制互通性測試，甚至采用同一種技術(shù)的不同廠商終端也很難互通。

他分析稱，正是這些原因造成了廠商只能選擇單一的有線家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，導(dǎo)致其長期在封閉的技術(shù)環(huán)境里打轉(zhuǎn)，而無法享受開放標(biāo)準(zhǔn)帶來的優(yōu)勢。更為嚴(yán)重的是，如果基于單一標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品出貨量不足，制造與開發(fā)成本居高不下，消費者將最終因為價格等因素放棄此類產(chǎn)品。

力合微的劉鯤也認(rèn)為，當(dāng)前目前智能家居高成本的一個很重要原因是封閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)不透明，存在華而不實、全而無用的情況。他說：“智能家居系統(tǒng)要采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)可擴展，讓客戶在需要時添加，不需要的功能不安裝。就通信方案來說，存在盲目追求‘高速通信’的問題，使系統(tǒng)造價沒必要地增加。”

他強調(diào)智能家居市場的最終啟動和發(fā)展一定要是開放的、可擴展系統(tǒng)：“開放的標(biāo)準(zhǔn)是智能家居發(fā)展的關(guān)鍵，包括使用各種介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，以及各種應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。”以智能照明為例，如果有了開放和統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，包括電力線載波或RF無線，以及開放和統(tǒng)一的智能照明應(yīng)用層協(xié)議，那么用戶應(yīng)該可以購買任何廠家的開關(guān)，安裝上去就可接入網(wǎng)絡(luò)和操作。不過，他透露國內(nèi)自主研發(fā)的基于窄帶OFDM電力線載波通信技術(shù)(PLC)網(wǎng)絡(luò)平臺的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在進行中。