所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力載波通信技術(shù)，具體涉及一種應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的電力載波通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，電使用已經(jīng)遍及千家萬戶，但如何實(shí)現(xiàn)家用電的智慧管理，是政府部門和相關(guān)廠商需要考慮的問題。通過物聯(lián)網(wǎng)解決這一問題是一個(gè)很好的思路和途徑，不過目前對(duì)于智慧電力物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。近年來，寬帶電力線載波通信(bplc：broadbandpowerlinecarrier)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，尤其大量應(yīng)用于智能電網(wǎng)抄表系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、智能家居和工業(yè)數(shù)據(jù)采集等場景。

電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)具有無需布線的優(yōu)點(diǎn)，可大大減少網(wǎng)絡(luò)籌建費(fèi)用。但電力線網(wǎng)絡(luò)并不是一種可靠的通信載體，首先，電力線對(duì)通信信號(hào)會(huì)造成強(qiáng)烈的衰減，這種衰減幅度時(shí)變性很強(qiáng)，取決于信號(hào)頻率、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?fù)載電器等等。通信信號(hào)在電力線通信信道傳播中存在衰落現(xiàn)象，在接收機(jī)輸入端的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有很大的變化和起伏，對(duì)通信系統(tǒng)接收功率很大的影響。這需要設(shè)計(jì)出輸入電壓范圍盡可能大的自動(dòng)增益控制電路。

在利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，同樣面臨數(shù)據(jù)安全的問題。由于電力系統(tǒng)具有較高的開放性傳輸特點(diǎn)，不受物理地域的限制，因此如果沒有密碼機(jī)制，會(huì)很容易為網(wǎng)絡(luò)帶來安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備之間的安全、可靠且經(jīng)濟(jì)的信號(hào)傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的電力載波通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括載波信號(hào)發(fā)送端、載波信號(hào)傳輸裝置、載波通信傳輸裝置和載波信號(hào)接收端，所述載波信號(hào)發(fā)送端和載波信號(hào)接收端均可以為多個(gè)；

其中，所述載波信號(hào)發(fā)送端包括：

信號(hào)生成單元，用于生成待傳輸?shù)妮d波信號(hào)；

信號(hào)加密單元，利用加密算法對(duì)待傳輸?shù)妮d波信號(hào)進(jìn)行加密，得到加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)；

信號(hào)發(fā)送單元，用于將加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)發(fā)送給載波信號(hào)放大裝置；

所述載波信號(hào)放大裝置包括：

幅值獲取模塊，用于獲取加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)的幅值；

過零信號(hào)提取模塊，用于提取加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)的過零信號(hào)，并對(duì)所述過零信號(hào)分段處理，得到過零區(qū)域和非過零區(qū)域；

增益值計(jì)算處理模塊，用于分別計(jì)算所述幅值在所述過零區(qū)域?qū)?yīng)的過零區(qū)域增益值和所述非過零區(qū)域?qū)?yīng)的非過零區(qū)域增益值；然后利用加窗處理法對(duì)所述過零區(qū)域增益值和非過零區(qū)域增益值進(jìn)行處理得到目標(biāo)增益控制值；

增益放大模塊，用于根據(jù)得到的所述目標(biāo)增益控制值對(duì)所述加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)進(jìn)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(jīng)放大或衰減的載波信號(hào)以及所述載波信號(hào)攜帶的端口信息；

確定模塊，用于根據(jù)所述載波信號(hào)攜帶的端口信息，確定與載波信號(hào)發(fā)送端對(duì)應(yīng)的所述載波信號(hào)接收端；

傳輸模塊，用于向所述對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)接收端傳輸所述載波信號(hào)；

所述載波信號(hào)接收端包括：

信號(hào)接收單元，用于接收載波通信傳輸裝置發(fā)送的載波信號(hào)；

信號(hào)解密單元，用于解密接收到的載波信號(hào)；

信號(hào)處理單元，對(duì)解密后的信號(hào)進(jìn)行處理。

優(yōu)選的，所述載波通信傳輸裝置還包括：

設(shè)置模塊，用于設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體用于，通過預(yù)設(shè)的端口配對(duì)協(xié)議，設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；或者，根據(jù)接收的端口配對(duì)參數(shù)，設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

優(yōu)選的，過零信號(hào)提取模塊具體包括：

提取單元，用于提取載波信號(hào)中的過零信號(hào)；

處理單元，用于對(duì)所述載波信號(hào)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(hào)的過零點(diǎn)為中心，所述過零點(diǎn)前后5ms范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)檫^零區(qū)域，所述過零點(diǎn)前后5ms范圍外的區(qū)域?yàn)榉沁^零區(qū)域。

優(yōu)選的，所述信號(hào)加密單元，根據(jù)用戶密鑰和加密算法對(duì)生成的載波信號(hào)進(jìn)行分段載波信號(hào)加密，得到加密后的分段載波信號(hào)。

優(yōu)選的，所述信號(hào)加密單元包括：

第一運(yùn)算子單元，用于根據(jù)分段載波信號(hào)、所述用戶密鑰和第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算，得到第一密文數(shù)字信號(hào)；

第二運(yùn)算子單元，用于根據(jù)所述用戶密鑰和第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算，得到第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)；

插入子單元，用于將第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)插入到第一密文數(shù)字信號(hào)中，得到第二密文數(shù)字信號(hào)；

第一操作子單元，用于對(duì)第二密文數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反轉(zhuǎn)比特位操作，得到最終加密后的分段載波信號(hào)。

優(yōu)選的，所述信號(hào)解密單元包括：

第二操作子單元，用于對(duì)最終加密后的分段載波信號(hào)進(jìn)行比特位反轉(zhuǎn)操作，得到第四密文數(shù)字信號(hào)；

提取子單元，用于從第四密文數(shù)字信號(hào)中提取出第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)，得到第五密文數(shù)字信號(hào)；

第三運(yùn)算子單元，用于根據(jù)第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)與用戶密鑰進(jìn)行位運(yùn)算，得到第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)；

第四運(yùn)算子單元，用于根據(jù)第五密文數(shù)字信號(hào)、第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)和用戶密鑰進(jìn)行位運(yùn)算，得到原分段載波信號(hào)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：(1)本發(fā)明將載波信號(hào)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(shù)的自動(dòng)增益控制來控制，并采用加窗法對(duì)兩個(gè)區(qū)域的臨界區(qū)域進(jìn)行加窗以平滑自動(dòng)增益控制參數(shù)。通過上述方法，能夠最大限度的利用電力載波通信的特點(diǎn)，提高載波信號(hào)控制精度和實(shí)時(shí)性；(2)在載波信號(hào)傳輸過程中，具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的載波信號(hào)發(fā)送端和載波信號(hào)接收端組成的數(shù)據(jù)通道，與其他具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的載波信號(hào)發(fā)送端和載波信號(hào)接收端的數(shù)據(jù)通道之間完全隔離，使得不同類型的電力設(shè)備的載波信號(hào)在不同的數(shù)據(jù)通道之間傳輸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生干擾；(3)載波信號(hào)傳輸過程中，采用加密和解密機(jī)制，可以確保電力物聯(lián)網(wǎng)中的信息安全。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明的一種應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)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(jìn)行通信的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

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

其中，所述載波信號(hào)發(fā)送端1包括：

信號(hào)生成單元11，用于生成待傳輸?shù)妮d波信號(hào)；

信號(hào)加密單元12，利用加密算法對(duì)待傳輸?shù)妮d波信號(hào)進(jìn)行加密，得到加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)；

信號(hào)發(fā)送單元13，用于將加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)發(fā)送給載波信號(hào)放大裝置；

所述載波信號(hào)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?shù)妮d波信號(hào)的幅值；

過零信號(hào)提取模塊22，用于提取加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)的過零信號(hào)，并對(duì)所述過零信號(hào)分段處理，得到過零區(qū)域和非過零區(qū)域；

增益值計(jì)算處理模塊23，用于分別計(jì)算所述幅值在所述過零區(qū)域?qū)?yīng)的過零區(qū)域增益值和所述非過零區(qū)域?qū)?yīng)的非過零區(qū)域增益值；然后利用加窗處理法對(duì)所述過零區(qū)域增益值和非過零區(qū)域增益值進(jìn)行處理得到目標(biāo)增益控制值；

增益放大模塊24，用于根據(jù)得到的所述目標(biāo)增益控制值對(duì)所述加密后的待傳輸?shù)妮d波信號(hào)進(jìn)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(jīng)放大或衰減的載波信號(hào)以及所述載波信號(hào)攜帶的端口信息；

確定模塊32，用于根據(jù)所述載波信號(hào)攜帶的端口信息，確定與載波信號(hào)發(fā)送端對(duì)應(yīng)的所述載波信號(hào)接收端；

設(shè)置模塊33，用于設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體用于，通過預(yù)設(shè)的端口配對(duì)協(xié)議，設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；或者，根據(jù)接收的端口配對(duì)參數(shù)，設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

傳輸模塊34，用于向所述對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)接收端傳輸所述載波信號(hào)；

所述載波信號(hào)接收端4包括：

信號(hào)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(hào)；

信號(hào)解密單元42，用于解密接收到的載波信號(hào)；

信號(hào)處理單元43，對(duì)解密后的信號(hào)進(jìn)行處理。

優(yōu)選的，過零信號(hào)提取模塊22具體包括：

提取單元，用于提取載波信號(hào)中的過零信號(hào)；

處理單元，用于對(duì)所述載波信號(hào)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(hào)的過零點(diǎn)為中心，所述過零點(diǎn)前后5ms范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)檫^零區(qū)域，所述過零點(diǎn)前后5ms范圍外的區(qū)域?yàn)榉沁^零區(qū)域。

優(yōu)選的，所述信號(hào)加密單元12，根據(jù)用戶密鑰和加密算法對(duì)生成的載波信號(hào)進(jìn)行分段載波信號(hào)加密，得到加密后的分段載波信號(hào)。

優(yōu)選的，所述信號(hào)加密單元12包括：

第一運(yùn)算子單元，用于根據(jù)分段載波信號(hào)、所述用戶密鑰和第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算，得到第一密文數(shù)字信號(hào)；

第二運(yùn)算子單元，用于根據(jù)所述用戶密鑰和第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算，得到第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)；

插入子單元，用于將第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)插入到第一密文數(shù)字信號(hào)中，得到第二密文數(shù)字信號(hào)；

第一操作子單元，用于對(duì)第二密文數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反轉(zhuǎn)比特位操作，得到最終加密后的分段載波信號(hào)。

優(yōu)選的，所述信號(hào)解密單元42包括：

第二操作子單元，用于對(duì)最終加密后的分段載波信號(hào)進(jìn)行比特位反轉(zhuǎn)操作，得到第四密文數(shù)字信號(hào)；

提取子單元，用于從第四密文數(shù)字信號(hào)中提取出第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)，得到第五密文數(shù)字信號(hào)；

第三運(yùn)算子單元，用于根據(jù)第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)與用戶密鑰進(jìn)行位運(yùn)算，得到第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)；

第四運(yùn)算子單元，用于根據(jù)第五密文數(shù)字信號(hào)、第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)和用戶密鑰進(jìn)行位運(yùn)算，得到原分段載波信號(hào)。

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

s1.在多個(gè)電力設(shè)備之間設(shè)置多個(gè)載波信號(hào)發(fā)送端和載波信號(hào)接收端；

s2.載波信號(hào)發(fā)送端生成載波信號(hào)，并加密；

s3.將載波信號(hào)進(jìn)行放大或衰減處理；

s4.將載波信號(hào)傳輸給對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)接收端；

s5.載波信號(hào)接收端解密信號(hào)，并載波信號(hào)進(jìn)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(hào)的幅值；

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

步驟s33：分別計(jì)算所述幅值在所述過零區(qū)域?qū)?yīng)的過零區(qū)域增益值和所述非過零區(qū)域?qū)?yīng)的非過零區(qū)域增益值；利用加窗處理法對(duì)所述過零區(qū)域增益值和非過零區(qū)域增益值進(jìn)行處理得到目標(biāo)增益控制值，

步驟s34：根據(jù)得到的所述目標(biāo)增益控制值對(duì)所述載波信號(hào)進(jìn)行放大或衰減。

優(yōu)選的，以所述過零信號(hào)的過零點(diǎn)為中心，所述過零點(diǎn)前后5ms范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)檫^零區(qū)域，所述過零點(diǎn)前后5ms范圍外的區(qū)域?yàn)榉沁^零區(qū)域。

優(yōu)選的，在步驟s31中，載波信號(hào)發(fā)送端發(fā)送ip數(shù)據(jù)包之前采用默認(rèn)值或先驗(yàn)值的方法，來確認(rèn)初始發(fā)送幀的長度，默認(rèn)值為微協(xié)議數(shù)據(jù)單元mpdu的最小幀長單位，而采用先驗(yàn)值的方法通過偵聽當(dāng)前信道中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功的幀長度或本節(jié)點(diǎn)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(jù)用戶密鑰和加密算法對(duì)生成的載波信號(hào)進(jìn)行分段載波信號(hào)加密，得到加密后的分段載波信號(hào)

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(hào)、用戶密鑰和第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算，得到第一密文數(shù)字信號(hào)。

分段載波信號(hào)可以先跟第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算(例如異或運(yùn)算)得到第三密文，然后再讓第三密文與用戶密鑰進(jìn)行位運(yùn)算(例如異或運(yùn)算)得到第一密文數(shù)字信號(hào)。當(dāng)然分段載波信號(hào)也可以先跟用戶密鑰進(jìn)行位運(yùn)算(例如異或運(yùn)算)得到第三密文，然后再讓第三密文與第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算(例如異或運(yùn)算)得到第一密文數(shù)字信號(hào)。其中具體得到第一密文數(shù)字信號(hào)可以通過如下c語言實(shí)現(xiàn)，c[i]＝p[i]^r[(i+a)％rl]^k[(i+b)％kl]，其中c表示第一密文數(shù)字信號(hào)，i表示字節(jié)序數(shù)，p表示分段載波信號(hào)，r表示第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)，rl表示第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)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(jī)信號(hào)長度的正整數(shù)，b小于用戶密鑰長度的正整數(shù)。

s22：根據(jù)用戶密鑰和第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算，得到第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)；

可以將用戶密鑰與第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行位運(yùn)算(例如異或運(yùn)算)，得到第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)，且該第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)的長度與第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)的長度一樣。但是為了保證數(shù)據(jù)膨脹不是很嚴(yán)重，這個(gè)長度值不宜過大。

還可以通過將第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)的每個(gè)字節(jié)(除了最后一個(gè)字節(jié))分別與后面的一個(gè)字節(jié)進(jìn)行按位異或運(yùn)算得到第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)。

s23：將第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)插入到第一密文數(shù)字信號(hào)中，得到第二密文數(shù)字信號(hào)。

s24：對(duì)第二密文數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反轉(zhuǎn)比特位操作，得到最終加密后的分段載波信號(hào)。

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(hào)，其中該載波信號(hào)中攜帶有載波信號(hào)發(fā)送端口信息；

s42.根據(jù)所述載波信號(hào)攜帶的端口信息，確定與載波信號(hào)發(fā)送端對(duì)應(yīng)的所述載波信號(hào)接收端；

s43.向所述對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)接收端傳輸所述載波信號(hào)。

優(yōu)選的，在s4中，傳輸載波信號(hào)之前，設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體用于，通過預(yù)設(shè)的端口配對(duì)協(xié)議，設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；或者，根據(jù)接收的端口配對(duì)參數(shù)，設(shè)置多個(gè)所述載波信號(hào)發(fā)送端和多個(gè)所述載波信號(hào)接收端之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)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(hào)接收端接收最終加密后的分段載波信號(hào)，并獲取用戶密鑰；

s52：對(duì)最終加密后的分段載波信號(hào)進(jìn)行比特位反轉(zhuǎn)操作，得到第四密文數(shù)字信號(hào)；

s53：從第四密文數(shù)字信號(hào)中提取出第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)，得到第五密文數(shù)字信號(hào)；

s54：根據(jù)第二隨機(jī)數(shù)字信號(hào)與密鑰進(jìn)行位運(yùn)算，得到第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)；

s55：根據(jù)第五密文數(shù)字信號(hào)、第一隨機(jī)數(shù)字信號(hào)和用戶密鑰進(jìn)行位運(yùn)算，得到原分段載波信號(hào)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。