所屬技術領域

本發(fā)明涉及電力載波通信技術，具體涉及一種應用于物聯網的電力載波通信系統(tǒng)。

背景技術：

目前，電使用已經遍及千家萬戶，但如何實現家用電的智慧管理，是政府部門和相關廠商需要考慮的問題。通過物聯網解決這一問題是一個很好的思路和途徑，不過目前對于智慧電力物聯網系統(tǒng)的研究還處于初步發(fā)展階段，研究較少。

電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊(powerlinecommunication，plc)是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。近年來，寬帶電力線載波通信(bplc：broadbandpowerlinecarrier)技術得到了廣泛應用，尤其大量應用于智能電網抄表系統(tǒng)、能源互聯網、智能家居和工業(yè)數據采集等場景。

電力線載波通信網絡具有無需布線的優(yōu)點，可大大減少網絡籌建費用。但電力線網絡并不是一種可靠的通信載體，首先，電力線對通信信號會造成強烈的衰減，這種衰減幅度時變性很強，取決于信號頻率、網絡拓撲、負載電器等等。通信信號在電力線通信信道傳播中存在衰落現象，在接收機輸入端的信號強度會有很大的變化和起伏，對通信系統(tǒng)接收功率很大的影響。這需要設計出輸入電壓范圍盡可能大的自動增益控制電路。

在利用電力線進行數據傳輸時，同樣面臨數據安全的問題。由于電力系統(tǒng)具有較高的開放性傳輸特點，不受物理地域的限制，因此如果沒有密碼機制，會很容易為網絡帶來安全隱患。

技術實現要素：

本發(fā)明提供一種應用于物聯網的電力載波通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用電力線建立物聯網，實現電力設備之間的安全、可靠且經濟的信號傳輸。

為了實現上述目的，本發(fā)明提供一種應用于物聯網的電力載波通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括載波信號發(fā)送端、載波信號傳輸裝置、載波通信傳輸裝置和載波信號接收端，所述載波信號發(fā)送端和載波信號接收端均可以為多個；

其中，所述載波信號發(fā)送端包括：

信號生成單元，用于生成待傳輸的載波信號；

信號加密單元，利用加密算法對待傳輸的載波信號進行加密，得到加密后的待傳輸的載波信號；

信號發(fā)送單元，用于將加密后的待傳輸的載波信號發(fā)送給載波信號放大裝置；

所述載波信號放大裝置包括：

幅值獲取模塊，用于獲取加密后的待傳輸的載波信號的幅值；

過零信號提取模塊，用于提取加密后的待傳輸的載波信號的過零信號，并對所述過零信號分段處理，得到過零區(qū)域和非過零區(qū)域；

增益值計算處理模塊，用于分別計算所述幅值在所述過零區(qū)域對應的過零區(qū)域增益值和所述非過零區(qū)域對應的非過零區(qū)域增益值；然后利用加窗處理法對所述過零區(qū)域增益值和非過零區(qū)域增益值進行處理得到目標增益控制值；

增益放大模塊，用于根據得到的所述目標增益控制值對所述加密后的待傳輸的載波信號進行放大或衰減。

所述載波通信傳輸裝置包括：

接收模塊，用于接收上述經放大或衰減的載波信號以及所述載波信號攜帶的端口信息；

確定模塊，用于根據所述載波信號攜帶的端口信息，確定與載波信號發(fā)送端對應的所述載波信號接收端；

傳輸模塊，用于向所述對應的載波信號接收端傳輸所述載波信號；

所述載波信號接收端包括：

信號接收單元，用于接收載波通信傳輸裝置發(fā)送的載波信號；

信號解密單元，用于解密接收到的載波信號；

信號處理單元，對解密后的信號進行處理。

優(yōu)選的，所述載波通信傳輸裝置還包括：

設置模塊，用于設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端之間的一一對應關系，具體用于，通過預設的端口配對協(xié)議，設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端的一一對應關系；或者，根據接收的端口配對參數，設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端之間的一一對應關系。

優(yōu)選的，過零信號提取模塊具體包括：

提取單元，用于提取載波信號中的過零信號；

處理單元，用于對所述載波信號分段處理，得到過零區(qū)域和非過零區(qū)域；

其中，以所述過零信號的過零點為中心，所述過零點前后5ms范圍內的區(qū)域為過零區(qū)域，所述過零點前后5ms范圍外的區(qū)域為非過零區(qū)域。

優(yōu)選的，所述信號加密單元，根據用戶密鑰和加密算法對生成的載波信號進行分段載波信號加密，得到加密后的分段載波信號。

優(yōu)選的，所述信號加密單元包括：

第一運算子單元，用于根據分段載波信號、所述用戶密鑰和第一隨機數字信號進行位運算，得到第一密文數字信號；

第二運算子單元，用于根據所述用戶密鑰和第一隨機數字信號進行位運算，得到第二隨機數字信號；

插入子單元，用于將第二隨機數字信號插入到第一密文數字信號中，得到第二密文數字信號；

第一操作子單元，用于對第二密文數字信號進行反轉比特位操作，得到最終加密后的分段載波信號。

優(yōu)選的，所述信號解密單元包括：

第二操作子單元，用于對最終加密后的分段載波信號進行比特位反轉操作，得到第四密文數字信號；

提取子單元，用于從第四密文數字信號中提取出第二隨機數字信號，得到第五密文數字信號；

第三運算子單元，用于根據第二隨機數字信號與用戶密鑰進行位運算，得到第一隨機數字信號；

第四運算子單元，用于根據第五密文數字信號、第一隨機數字信號和用戶密鑰進行位運算，得到原分段載波信號。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：(1)本發(fā)明將載波信號發(fā)送端分為過零區(qū)域和非過零區(qū)域，分別采用不同參數的自動增益控制來控制，并采用加窗法對兩個區(qū)域的臨界區(qū)域進行加窗以平滑自動增益控制參數。通過上述方法，能夠最大限度的利用電力載波通信的特點，提高載波信號控制精度和實時性；(2)在載波信號傳輸過程中，具有一一對應關系的載波信號發(fā)送端和載波信號接收端組成的數據通道，與其他具有一一對應關系的載波信號發(fā)送端和載波信號接收端的數據通道之間完全隔離，使得不同類型的電力設備的載波信號在不同的數據通道之間傳輸時不會產生干擾；(3)載波信號傳輸過程中，采用加密和解密機制，可以確保電力物聯網中的信息安全。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明的一種應用于物聯網的電力載波通信系統(tǒng)的框圖。

圖2示出了本發(fā)明的一種利用電力線進行通信的方法的流程圖。

具體實施方式

圖1是示出了本發(fā)明的一種應用于物聯網的電力載波通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括載波信號發(fā)送端1、載波信號傳輸裝置2、載波通信傳輸裝置3和載波信號接收端4，所述載波信號發(fā)送端和載波信號接收端均可以為多個；

其中，所述載波信號發(fā)送端1包括：

信號生成單元11，用于生成待傳輸的載波信號；

信號加密單元12，利用加密算法對待傳輸的載波信號進行加密，得到加密后的待傳輸的載波信號；

信號發(fā)送單元13，用于將加密后的待傳輸的載波信號發(fā)送給載波信號放大裝置；

所述載波信號放大裝置2包括：

幅值獲取模塊21，用于獲取加密后的待傳輸的載波信號的幅值；

過零信號提取模塊22，用于提取加密后的待傳輸的載波信號的過零信號，并對所述過零信號分段處理，得到過零區(qū)域和非過零區(qū)域；

增益值計算處理模塊23，用于分別計算所述幅值在所述過零區(qū)域對應的過零區(qū)域增益值和所述非過零區(qū)域對應的非過零區(qū)域增益值；然后利用加窗處理法對所述過零區(qū)域增益值和非過零區(qū)域增益值進行處理得到目標增益控制值；

增益放大模塊24，用于根據得到的所述目標增益控制值對所述加密后的待傳輸的載波信號進行放大或衰減。

所述載波通信傳輸裝置3包括：

接收模塊31，用于接收上述經放大或衰減的載波信號以及所述載波信號攜帶的端口信息；

確定模塊32，用于根據所述載波信號攜帶的端口信息，確定與載波信號發(fā)送端對應的所述載波信號接收端；

設置模塊33，用于設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端之間的一一對應關系，具體用于，通過預設的端口配對協(xié)議，設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端的一一對應關系；或者，根據接收的端口配對參數，設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端之間的一一對應關系。

傳輸模塊34，用于向所述對應的載波信號接收端傳輸所述載波信號；

所述載波信號接收端4包括：

信號接收單元41，用于接收載波通信傳輸裝置發(fā)送的載波信號；

信號解密單元42，用于解密接收到的載波信號；

信號處理單元43，對解密后的信號進行處理。

優(yōu)選的，過零信號提取模塊22具體包括：

提取單元，用于提取載波信號中的過零信號；

處理單元，用于對所述載波信號分段處理，得到過零區(qū)域和非過零區(qū)域；

其中，以所述過零信號的過零點為中心，所述過零點前后5ms范圍內的區(qū)域為過零區(qū)域，所述過零點前后5ms范圍外的區(qū)域為非過零區(qū)域。

優(yōu)選的，所述信號加密單元12，根據用戶密鑰和加密算法對生成的載波信號進行分段載波信號加密，得到加密后的分段載波信號。

優(yōu)選的，所述信號加密單元12包括：

第一運算子單元，用于根據分段載波信號、所述用戶密鑰和第一隨機數字信號進行位運算，得到第一密文數字信號；

第二運算子單元，用于根據所述用戶密鑰和第一隨機數字信號進行位運算，得到第二隨機數字信號；

插入子單元，用于將第二隨機數字信號插入到第一密文數字信號中，得到第二密文數字信號；

第一操作子單元，用于對第二密文數字信號進行反轉比特位操作，得到最終加密后的分段載波信號。

優(yōu)選的，所述信號解密單元42包括：

第二操作子單元，用于對最終加密后的分段載波信號進行比特位反轉操作，得到第四密文數字信號；

提取子單元，用于從第四密文數字信號中提取出第二隨機數字信號，得到第五密文數字信號；

第三運算子單元，用于根據第二隨機數字信號與用戶密鑰進行位運算，得到第一隨機數字信號；

第四運算子單元，用于根據第五密文數字信號、第一隨機數字信號和用戶密鑰進行位運算，得到原分段載波信號。

圖2示出了本發(fā)明的一種基于電力線通信構建物聯網的方法的流程圖。該方法具體包括如下步驟：

s1.在多個電力設備之間設置多個載波信號發(fā)送端和載波信號接收端；

s2.載波信號發(fā)送端生成載波信號，并加密；

s3.將載波信號進行放大或衰減處理；

s4.將載波信號傳輸給對應的載波信號接收端；

s5.載波信號接收端解密信號，并載波信號進行處理。

優(yōu)選的，所述步驟s3包括如下子步驟：

步驟s31：獲取載波信號的幅值；

步驟s32：提取載波信號的過零信號，并對所述載波信號分段處理，得到過零區(qū)域和非過零區(qū)域；

步驟s33：分別計算所述幅值在所述過零區(qū)域對應的過零區(qū)域增益值和所述非過零區(qū)域對應的非過零區(qū)域增益值；利用加窗處理法對所述過零區(qū)域增益值和非過零區(qū)域增益值進行處理得到目標增益控制值，

步驟s34：根據得到的所述目標增益控制值對所述載波信號進行放大或衰減。

優(yōu)選的，以所述過零信號的過零點為中心，所述過零點前后5ms范圍內的區(qū)域為過零區(qū)域，所述過零點前后5ms范圍外的區(qū)域為非過零區(qū)域。

優(yōu)選的，在步驟s31中，載波信號發(fā)送端發(fā)送ip數據包之前采用默認值或先驗值的方法，來確認初始發(fā)送幀的長度，默認值為微協(xié)議數據單元mpdu的最小幀長單位，而采用先驗值的方法通過偵聽當前信道中其他節(jié)點發(fā)送成功的幀長度或本節(jié)點最近一次發(fā)送成功的幀長度，來確定初始幀長度。

優(yōu)選的，所述步驟s2中，根據用戶密鑰和加密算法對生成的載波信號進行分段載波信號加密，得到加密后的分段載波信號

優(yōu)選的，在所述s2中，具體包括如下子步驟：

s21：將分段載波信號、用戶密鑰和第一隨機數字信號進行位運算，得到第一密文數字信號。

分段載波信號可以先跟第一隨機數字信號進行位運算(例如異或運算)得到第三密文，然后再讓第三密文與用戶密鑰進行位運算(例如異或運算)得到第一密文數字信號。當然分段載波信號也可以先跟用戶密鑰進行位運算(例如異或運算)得到第三密文，然后再讓第三密文與第一隨機數字信號進行位運算(例如異或運算)得到第一密文數字信號。其中具體得到第一密文數字信號可以通過如下c語言實現，c[i]＝p[i]^r[(i+a)％rl]^k[(i+b)％kl]，其中c表示第一密文數字信號，i表示字節(jié)序數，p表示分段載波信號，r表示第一隨機數字信號，rl表示第一隨機數字信號長度，k表示用戶密鑰，kl表示用戶密鑰長度，a是小于第一隨機信號長度的正整數，b小于用戶密鑰長度的正整數。

s22：根據用戶密鑰和第一隨機數字信號進行位運算，得到第二隨機數字信號；

可以將用戶密鑰與第一隨機數字信號進行位運算(例如異或運算)，得到第二隨機數字信號，且該第二隨機數字信號的長度與第一隨機數字信號的長度一樣。但是為了保證數據膨脹不是很嚴重，這個長度值不宜過大。

還可以通過將第一隨機數字信號的每個字節(jié)(除了最后一個字節(jié))分別與后面的一個字節(jié)進行按位異或運算得到第二隨機數字信號。

s23：將第二隨機數字信號插入到第一密文數字信號中，得到第二密文數字信號。

s24：對第二密文數字信號進行反轉比特位操作，得到最終加密后的分段載波信號。

優(yōu)選的，在所述步驟s4中，具體包括如下步驟：

s41.接收增大或衰減后的載波信號，其中該載波信號中攜帶有載波信號發(fā)送端口信息；

s42.根據所述載波信號攜帶的端口信息，確定與載波信號發(fā)送端對應的所述載波信號接收端；

s43.向所述對應的載波信號接收端傳輸所述載波信號。

優(yōu)選的，在s4中，傳輸載波信號之前，設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端之間的一一對應關系，具體用于，通過預設的端口配對協(xié)議，設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端的一一對應關系；或者，根據接收的端口配對參數，設置多個所述載波信號發(fā)送端和多個所述載波信號接收端之間的一一對應關系。

優(yōu)選的，在步驟s5的解密過程中，具體包括如下子步驟：

s51：載波信號接收端接收最終加密后的分段載波信號，并獲取用戶密鑰；

s52：對最終加密后的分段載波信號進行比特位反轉操作，得到第四密文數字信號；

s53：從第四密文數字信號中提取出第二隨機數字信號，得到第五密文數字信號；

s54：根據第二隨機數字信號與密鑰進行位運算，得到第一隨機數字信號；

s55：根據第五密文數字信號、第一隨機數字信號和用戶密鑰進行位運算，得到原分段載波信號。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。