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    深入浅出聊PLC技术,无线智能家居瞬间「不香了」?

    2022-04-14 19:21:36

    来源:智哪儿   作者:智哪儿

    阅读:7067

    评论:0

    作者|布斯

    编辑|小沐

    出品|智哪儿(ID:smartanywhere)


    近两年,PLC技术在智能家居领域刷出了存在感。尤其是在华为的推动下,PLC成为了一种「触手可得」的全屋智能解决方案,让WiFi、ZigBee、蓝牙等技术瞬间「不香了」。本文,「智哪儿」从三个方面解读下PLC。

    华为基于PLC的全屋智能,为智能家居行业带来了久违的新鲜感。虽然PLC不是什么新技术,但是能把它运用于对数据通信和计算需求越来越高的全屋智能,还是要有两把刷子的。所以大家也不必计较这是不是新瓶装旧酒。

    面对来势汹汹的无线智能家居方案,PLC的入局在一定程度上改变了行业格局。在余承东的嘴里,PLC简直是神一般的存在,属于降维打击。但其实,PLC进入智能家居等民用场景,面临的问题也非常多,使用场景的复杂性其实更高了。

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    如何正确理解PLC?

    首先,我们要搞明白PLC到底是啥?

    字面来看,PLC是电力线通信技术,Power Line Communication说白了就是把电线作为数据传输线。这是个物尽其用的策略,因为电线随处都有,而且成本低廉。如果让电线既传输电能,又能携带调制后的电信号,岂不是两全其美。

    事实上,对于交流电来说,它本身就是携带信息的,因为它有频率。只不过这个信息只有一个单一值。PLC,可以认为是传输变化的频率的电信号技术。

    具体来说,它的实现机制是把终端数据调制为高频电信号在电线上传输。理论上,它还可以取代网线。等等,这不就是传统的铜缆宽带吗?对,后者也是靠电信号传递。现在普及的光纤,用的是光信号,更快。(WiFi靠的是电磁波)

    这样一来,还要网线干什么?很明显,因为PLC作为一种通信技术,在此前较长一段时间内,是无法作为真正的民用通信技术的。原因也很简单,家居场景中,干扰因素太多。技术标准归标准,但落实成产品,不一定灵。

    所以要解决干扰因素,就得投入大量研发精力,并依赖某些其他行业的突破,比如AI技术。如今AI技术成熟了,也就能更好的解决干扰问题。

    要把PLC真正应用于家庭环境,最核心的一个部件还是芯片。华为用的是自家海思的PLC-IoT芯片,除了基本的信号调制,它还要承担一系列的降噪运算。在此前的发布会上,华为宣称自己的PLC具有AI抗干扰能力。

    如果抗干扰是卖点,那么看来PLC家用,干扰依然是头痛问题。所以PLC的竞争,其实就是芯片的竞争,更进一步说是抗干扰算法的竞争。所以创耀科技、力合微、威胜信息、东软载波等PLC芯片及解决方案商近期关注度颇高。

    随着AI技术的落地,PLC进入普通家庭终于成为了现实。但今天的PLC,不是那个PLC。它所体现的技术栈不同。

    所以当我们研究PLC时,背后的软件算法是不可忽视的。而PLC本身,已经是一个相对成熟的技术标准。目前PLC领域主要有两大技术标准:一个是美国主导的HomePlug,一个是欧盟主导的OPERA(开放式PLC欧洲研究联盟)。华为的PLC,遵循是HomePlug标准。

    2
    PLC-IoT有什么特征?

    注意,如果PLC后面加个IoT,那它是什么?当然还是PLC

    PLC技术按照频段可以分为三类:窄带、中频带和宽带。频率依次递增,可承载的数据量依次增大,但是传输距离依次降低。

    PLC-IoT这个概念,对应的是中频带PLC。它是基于0.7~12MHz的频率来工作的。这个频段相对来说噪声低,信道质量好,比较适合智能家居、智慧路灯、智能电表等实时控制的物联网场景。所以,我们讲智能家居的PLC,其实是在讲PLC-IoT

    IoT的终端接入技术上,存在无线和有线之争。无线方案有微功率技术,比如蓝牙、WiFi和ZigBeeNFC等;此外还有蜂窝无线技术,比如NB-IoT、GPRSLTE等。

    PLC则是跟总线技术对抗的一类通信技术。常见的总线技术有485CANModBus、KNX等。CAN用于汽车较多,485等在智能家居应用较多。相较于总线技术,PLC-IoT不用专门布线,这是最大优势。后装市场潜力巨大。相较于无线技术,PLC-IoT组网复杂度低,通信更可靠,而且不受建筑物遮挡。

    值得一提的是,现在华为的PLC-IoT支持IP化,也就是可以支持IPv6技术。这意味着PLC可以扩展出网络层和传输层,不同类型的终端设备可以共享PLC网络、不同用户也可以独立访问各自的设备,这对于提升PLC网络的并发能力和通信效率非常关键。

    那么,基于宽带PLC的,就是用来上网的一类路由器PLC产品。由于频率高,它可以用来替代现有的WiFi组网方案。下文会有介绍。

    所以目前市面上的产品,又可以分为PLC-IoT和路由器PLC。两者遵循的技术标准可能有差异,但本质都是一样的,区别只是不同频段的电力载波在不同场景下的应用。

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    最大的干扰如何解决?

    PLC-IoT运用于智能家居,最大的问题就是干扰。电线虽然普及、成本低,但是它并不是一个很理想的信号载体(要不然还要网线干什么)。

    这其中涉及的因素有很多。比如,家用的交流电为220V 50Hz。但是在实际场景中,它的正弦波并不是平滑的,而是一根充满锯齿的曲线。一方面,电压本身就是不稳定的;另一方面,家用电器的使用会影响到电流的稳定性。甚至并列的电线之间也会产生感应。

    很多人应该听过电力猫这个东西,它是一个基于PLC的路由器,可以实现全屋的布网。但火了没多久,它就消失了,原因就是它跟家里的绝大部分电器是冲突的。由于家用电的复杂性,基本上所有电器都有滤波模块,就是为了达到一个纯净的50Hz交流电。

    而基于PLC的通信,本身就是通过高频信号来传递的。越是高频,它的容错率就越低,一丝丝的干扰,就会影响系统的稳定性。用来上网的PLC,频率更高,显然对于噪声的敏感度就会更高。这就是为什么电力猫这类产品不好做的原因。

    对于PLC-IoT来说,它并非应用于上网,而是仅作为设备通信技术,因此相对来说稳定性更强。这里顺便科普下:PLC的窄带、中频带,遵循的是IEEE1901协议。这个协议的授权组织就是前面提到的HomePlug。它们的关系类似于IEEE802.11WiFi联盟之间的关系。而一般用于上网的PLC,遵循的是ITUG.hn标准(IEEE1901也有宽带PLC标准)。

    在家居环境中,变频器谐波、线缆和强电磁干扰最常见。而且电力线上的设备越多,干扰就会越复杂。随着各类家用电器的使用和外部电涌等影响,PLC要正常工作,需要极其有效的过滤技术。

    为什么说智能家居中的PLC其实更复杂?就是因为要解决抗干扰的问题更难。工业用途中,PLC从布线、电缆选择、电气工程等多个方面都可以提前考虑。但是家庭用途,我们面临的通常是装修好的、强弱电部署千差万别的案例。要确保装上就能用,其实不容易。

    具体来说,要解决干扰问题,主要有这么几个要素。

    第一,要确保良好的接地。接地可以避免以外的电压冲击,实现电网安全和抑制干扰两个目的。对于PLC系统抵抗电磁干扰非常重要。

    第二,改造线缆。比如同向紧密排布的线缆,在交流电通过时会形成感应电压,这就要求把普通的电线换为屏蔽型的。很显然,这就提高了成本,舍本逐末。

    第三,通过电容滤波,在输入和输出端中间增加信号隔离器。但这意味着要对家里的每个电器(大到冰箱小到插座)都要改装。

    而由于家居场景中干扰的随机性较大,所以即便上述三条都完美做到,也未必能确保信号没有任何干扰。因此,还需要芯片和算法来进行智能调制。通过软件AI来排除可能存在的噪声,尽可能让电力线的信号纯净。这就很考验厂家对于滤波器的设计能力。

    华为之所以选择在中频带做PLC-IoT,就是因为大多数交流噪声都在2MHz以下,而华为PLC芯片的频率是2~12MHz,所以尽可能排除了噪声。逆变器的开关噪声,大约在15KHz,相对稳定,进入到PLC芯片后,可以很快被滤波器过滤掉。

    但是针对交流谐波噪声,就会很大程度上影响PLC的信噪比(即信号和噪声的比例,数值越大越好)。这方面,华为在PLC芯片的物理层,加入了FECCRC两种去噪和纠错能力,同时具有专门的自动增益调整技术和特定的滤波算法。

    除了干扰问题,信号衰减也是PLC面临的难点,这个跟调制解调的方式有关,我们在此不做赘述。

    前面说到了电力猫这个东西。其实,基于PLC作为路由器的产品依然存在,比如华为的PLC Turbo。这项技术,说白了就是基于ITU(国际电信联盟)的G.hn标准开发的宽带PLC技术,它的频段范围是1.8~100MHz,可以带来200Mbps~1.5GMbps的上网速率,这对于家用场景完全够用。

    为了增强路由器的信噪比,华为的方案是采用火零地三线传输,进一步抑制家用电器带来的噪声。当然,实际上噪声抑制和过滤,还是需要专门的芯片来处理。

    理论上,PLC上网的延迟能做到50ms以内。这个看具体的使用场景。如果场景内的电器设备太多,或者电网本身的质量不好,那么再强大的滤波也无法100%确保数据的高效传输。所以华为在推广Q6路由器时,还特别强调了可以智能识别140+款的手游,为其提供加速能力。

    如果厂家能真正解决PLC面临的噪声问题,那么基于PLC的路由器,确实是比较好的一个组网选择。它只需要一个主路由,子路由完全不依赖网线沟通,部署非常方便、灵活。



    结语

    虽然PLC在智能家居的真正普及还有待时日,但这项技术本身能带来的体验上的改变,还是实打实看得见的。华为算是起了个头,后续一定会有更多品牌跟进探索。

    PLC看上去是对抗485KNX这类方案,但实际上挑战的是WiFi、ZigBee等无线方案的江湖地位。随着PLC的加速落地,智能家居解决方案,开始泾渭分明:无线与PLC


    (智哪儿(ID:smartanywhere)原创文章,转载请获取授权并保留来源)



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