اتصال کوتاه

.

.
فن‌آوری «ارتباط از طریق شبکه برق شهری¹» برای «اینترنت اشیاء²» که به اختصار PLC-IoT خوانده می‌شود، یک فن‌آوری مطابق با استانداردهای HPLC/IEEE 1901.1 است که برای فرانامه‌های³ صنعتی اینترنت اشیاء توسعه یافته است. این فن‌آوری امکان انتقال داده‌ها را از طریق زیرساخت موجود و حاضر و آماده‌ی توزیع انرژی الکتریکی، یعنی خطوط انتقال برق در شبکه‌های توزیع فشار ضعیف (220/380) فراهم می‌کند. PLC-IoT نیاز به نصب خطوط ارتباطی اضافی برای انتقالِ علایم و داده‌ها را از بین می‌برد و ارتباطی قابل اعتماد، امن و کارآمد و مقرون به صرفه را با پوششی گسترده، حتی تا «آخرین مویرگ⁴» شبکه‌ی اینترنت اشیاء، ارایه می‌دهد.

.

چرا به PLC-IoT نیاز داریم؟

فن‌آوری مخابراتی در اینترنت اشیاء

پیشرفت‌های مداوم در فن‌آوری‌های ارتباطی، توسعه سریع اینترنت اشیاء (IoT) را شتاب بخشیده است.

امروزه نیاز به جمع‌آوری داده‌ها برای پایانه‌های IoT با سرعتی فزاینده در حال رشد است. برای دستیابی به «اتصال همه‌چیز» و تضمین ارتباطی قابل اطمینان، امن و کارآمد در «آخرین مویرگ» شبکه IoT، توسعه فن‌آوری‌های متنوع دسترسی به اینترنت اشیاء به امری ضروری تبدیل شده است.

فن‌آوری‌های ارتباطی IoT به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. فن‌آوری‌های ارتباطی بیسیم (مانند بلوتوث، وایفای و ZigBee).

2. فن‌آوری‌های ارتباطی سیمی (مانند باس صنعتی میدانی⁵ و PLC).

فن‌آوری PLC با استفاده مجدد از خطوط برق برای انتقال داده‌ها، امکان اتصال به دستگاه‌های IoT را بدون نیاز به نصب خطوط اختصاصی فراهم می‌کند. این فن‌آوری دو چالش عمده‌ی دیگر را نیز حل می‌کند: 

- مشکلات ناشی از تأثیر شدید محیط اطراف (مانند سیگنال ضعیف) که در فن‌آوری‌های بی‌سیم وجود دارد. 

- مشکلات ناشی از ویژگی‌های خطوط ارتباطی و «تعامل‌پذیری⁶» و «بازبودن پایین⁷» که در فن‌آوری‌های باس صنعتی مشاهده می‌شود.

 

PLC امکان اشتراک‌گذاری یک شبکه‌ی واحد توسط فن‌آوری‌های ارتباطی مختلف را فراهم کرده و نیاز به سرمایه‌گذاری‌های اضافی را از بین می‌برد. با انتقال داده‌ها از طریق خطوط برق، تحقق «اتصال همه‌چیز» دیگر دور از دسترس نخواهد بود.

.

انواع PLC بر اساس باند فرکانسی و نرخ تبادل:

PLC به سه دسته اصلی تقسیم می‌شود:

- PLC باند باریک (Narrowband PLC)

- PLC میان‌باند، باند میانی (Mid-band PLC)

- PLC پهن‌باند، باند پـهن (Broadband PLC)

 

همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است، این دسته‌بندی بر اساس محدوده فرکانسی و سرعت انتقال انجام می‌شود. 

.

.

پیدایی PLC-IoT 

PLC-IoT حرکتی نوآورانه در به‌کارگیری فن‌آوری PLC در فرنامه‌های اینترنت اشیاء (IoT) است. این فن‌آوری که بر پایه استانداردهای HPLC/IEEE 1901.1 توسعه یافته، یک فن‌آوری PLC باند متوسط است که برای فرانامه‎‌ها (سناریوها)ی IoT طراحی شده است. PLC-IoT مشکلاتی مانند تضعیف سیگنال و تداخل نویز در خطوط برق را حل کرده و ارتباط مبتنی بر IP را ممکن می‌سازد.

• محدوده فرکانسی: PLC-IoT عمدتاً در باند فرکانسی ۰٫۷ مگاهرتز تا ۱۲ مگاهرتز عمل می‌کند که دارای نویز پایین و پایداری و کیفیت کانال مطلوب است. 

• فن‌آوری OFDM: این فن‌آوری از «مدولاسیون تقسیم فرکانسی متعامد⁸» استفاده می‌کند که بهره‌وری بالایی از باند فرکانسی داشته و در برابر نویز بسیار مقاوم است. با مدوله‌کردن سیگنال‌های دیجیتال روی حامل‌های فرکانس بالا، PLC-IoT امکان انتقال داده با سرعت بالا و در مسافت‌های طولانی را از طریق خطوط برق فراهم می‌کند. 

• سرعت و گستردگی شبکه: PLC-IoT نرخ ارتباطی لایه کاربردی بین ۱۰۰ کیلوبیت‌بر‌ثانیه تا ۲ مگابیت‌بر‌ثانیه ارایه می‌دهد و با استفاده از «شبکه‌سازی چندسطحی⁹»، فاصله انتقال را تا چندین کیلومتر افزایش می‌دهد. با پشتیبانی از ویرایش ششم پروتکل اینترنت، IPv6، پروتکل‌های متنوع IoT از طریق خطوط برق اجرا شده و ارتباط کامل دستگاه‌های هوشمند را ممکن می‌سازند. 

PLC-IoT با ایجاد یک مدل دقیق از کانال انتقال ارتباط خط برق و تعیین فرکانس بهینه‌ی انتقال سیگنال، بر اساس ویژگی‌های فیزیکی خطوط برق، عملکرد ارتباطی را بهبود می‌بخشد. با تحلیل داده‌های اندازه‌گیری‌شده از ویژگی‌های کانال (مانند تضعیف، امپدانس و نویز)، این فن‌آوری به طور مؤثر نویز و تضعیف سیگنال در طول خط انتقال را کاهش داده و امکان ارتباط پرسرعت، پایدار و بلادرنگ در مسافت‌های طولانی را فراهم می‌کند. 

.

نحوه عملکرد PLC-IoT 

پیاده‌سازی PLC-IoT ساده است و به شرح زیر انجام می‌گیرد: 

۱. سمت منبع سیگنال: مدول مدولاسیون PLC، داده‌های موردنظر را با عملیات‌هایی مانند رمزگذاری و مدولاسیون به سیگنال‌های فرکانس بالا تبدیل کرده و از طریق مدارهای تزویج (کوپلینگ) به خطوط برق تزریق می‌کند. 

۲. سمت گیرنده: مدول آشکارساز (دمودولاسیون) PLC، سیگنال‌های فرکانس بالا را از خطوط برق جدا کرده و با آشکارسازی، داده‌های اصلی را بازیابی و از آن‌ها رمزبرداری (رمزگشایی) می‌کند. 

به بیان ساده، مدول PLC داده‌های ارتباطی ارسالی از منبع را به امواج الکترومغناطیسی فرکانس بالا تبدیل کرده و از طریق خطوط برق به گیرنده ارسال می‌کند. مدول PLC در سمت گیرنده نیز این امواج را از جریان برق جدا کرده و به داده تبدیل می‌نماید.

.

شبکه PLC-IoT

.

مدل ارتباطی PLC-IoT

برای درک نحوه عملکرد PLC-IoT، ابتدا نگاهی به مدل ارتباطی PLC سنتی و بهبودهایی که PLC-IoT در آن ایجاد کرده است، بیندازیم. 

مدل ارتباطی PLC سنتی از لایه فیزیکی، «لایه پیوند داده‌ها¹⁰» و «لایه کاربردی¹¹» تشکیل شده است. در این مدل، لایه پیوند داده‌ها به طور مستقیم داده‌های سرویس را به لایه کاربردی منتقل می‌کند. در مقابل، PLC-IoT با الهام از مدل «اُ‌اِس‌آی¹²» ، «لایه‌های شبکه¹³» و «لایه انتقال¹⁴» را نیز به معماری شبکه خود اضافه کرده است. لایه شبکه در PLC-IoT که از IPv6 پشتیبانی می‌کند، امکان ارتباط استاندارد مبتنی بر پروتکل‌های TCP/IP را فراهم می‌سازد. این تغییرات باعث می‌شود برنامه‌های کاربردی، به جای لایه پیوند داده‌ها، روی لایه شبکه (لایه IP) اجرا شوند.

.

مدل ارتباطی PLC-IoT

.

لایه فیزیکی (Physical Layer)

سیگنال‌های ارتباطی PLC-IoT از طریق خطوط برق انتقال می‌یابند. لایه فیزیکی، بسته‌های دادهای را که نیاز به انتقال توسط لایه پیوند داده‌ها دارند، رمزگذاری و مدوله کرده و به سیگنال‌های حامل تبدیل می‌کند. سپس این سیگنال‌ها را به خطوط برق ارسال می‌نماید. علاوه بر این، لایه فیزیکی سیگنال‌های حامل دریافتی از خطوط برق را دمدوله و رمزگشایی کرده و به لایه پیوند داده‌ها تحویل می‌دهد.

.

لایه پیوند داده‌ها (Data Link Layer)

این لایه مسوول مدیریت شبکه و کنترل دسترسی به رسانه (MAC) است:

- مدیریت شبکه: ایجاد، نگهداری و مدیریت مسیریابی شبکه PLC-IoT را انجام داده و بسته‌های لایه شبکه را تجمیع و توزیع می‌کند.

- کنترل دسترسی به رسانه (MAC): انتقال قابل‌اطمینان تمام بسته‌های داده را تضمین می‌نماید.

.

لایه شبکه (Network Layer) 

در فرانامه‌های اینترنت اشیاء (IoT)، تعداد ترمینال‌ها بسیار زیاد است و نیاز به انتقال کارآمد بسته‌های IP سبک‌وزن وجود دارد. لایه شبکه در PLC-IoT از پروتکل سبک‌وزن IPv6 – یعنی IPv6 از طریق «شبکه محلی شخصی بی‌سیم¹⁵» یا به اختصار (6LoWPAN) پشتیبانی می‌کند - تا ارتباط مبتنی بر IPv6 را در شبکه PLC-IoT پیاده‌سازی نماید.

.

لایه انتقال (Transport Layer) 

این لایه، خدمات جریان داده قابل اعتماد از انتها به انتها را برای لایه بالایی فراهم می‌کند. 

.

لایه کاربردی (Application Layer) 

این لایه مسوول تبادل داده‌های سرویس بین واحدهای ارتباطی PLC است. علاوه بر این، PLC-IoT از پروتکل‌های «امنیت لایه انتقال داده‌نگار¹⁶» (DTLS) و «پروتکل کاربردی محدودشده¹⁷» (CoAP) برای تضمین انتقال امن و قابل اطمینان داده‌ها روی خطوط برق استفاده می‌کند. 

.

شبکه‌بندی‌های PLC-IoT

با توجه به محیط کابل‌کشی و روش اتصال پایانه‌ها در فرانامه‌های صنعتی واقعی، شبکه PLC-IoT می‌تواند از پیکربندی ستاره‌ای یا پیکربندی درختی استفاده کند (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است). پیکربندی درختی امکان شبکه‌بندی تا ۸ سطح را فراهم می‌کند که باعث افزایش هر چه بیش‌تر فاصله انتقال سیگنال‌های حامل می‌شود. 

.

شبکه‌بندی‌های PLC-IoT

.

شبکه PLC-IoT از نقش‌های زیر پشتیبانی می‌کند:

- هماهنگ‌کننده مرکزی (CCO)¹⁸: مسئول دسترسی دستگاه‌های پایانی و همچنین دریافت و ارسال داده‌ها است.

- هماهنگ‌کننده واسط (PCO)¹⁹: تنها در پیکربندی درختی پشتیبانی شده و عاملی است که داده‌ها را بین CCO و گره‌ها یا بین گره‌ها رله و منتقل می‌کند.

- ایستگاه (STA)²⁰: سیگنال‌های PLC را دریافت و ارسال کرده و دسترسی یکپارچه‌ی پایانه‌ها به شبکه PLC-IoT را فراهم می‌کند.

 

شبکه PLC-IoT دارای ویژگی‌های زیر است که به ایجاد شبکه‌بندی سریع کمک می‌کند:

- همگرایی سطح‌به‌سطح سریع و «احراز هویت واسط²¹» که امکان اتصال سریع تعداد زیادی گره²² به شبکه را فراهم می‌کند.

- ارزیابی مسیر سریع و انتخاب مسیر بهینه که نرخ موفقیت ارتباط STA پس از دسترسی به شبکه را بهبود می‌بخشد.

- «مدیریت پویای بازه‌های زمانی²³» و سازگاری خودکار با «عدم تعادل چندفازه²⁴» در مناطق پست‌های ترانسفورماتور تبدیل ولتاژ در شبکه که بهره‌وری پهنای باند را به حداکثر می‌رساند.

- پشتیبانی از تا ۵۱۲ گره توسط یک دروازه²⁵ و شبکه‌بندی تا ۸ سطح که پوشش محدوده پست‌های ترانسفورماتور را گسترش می‌دهد.

.

 فرآیند ایجاد شبکه PLC-IoT

در اینجا فرآیند ایجاد شبکه با استفاده از پیکربندی درختی شرح داده می‌شود:

۱. پس از روشن شدن دستگاه‌ها، CCO تشخیص PLC را در کل شبکه انجام داده و گره‌های PCO و STA را بر اساس پارامترهای PLC و پارامترهای ارتباطی گره‌ها تعیین می‌کند.

۲. CCO بسته‌های درخواست STA را ره‌گیری کرده یا به‌صورت فعال به STA درخواست ارسال می‌کند و با استفاده از فناوری تشخیص حامل، مدیریت و کنترل انتقال را انجام می‌دهد.

۳. پس از روشن شدن، STA بر اساس وضعیت شبکه PLC-IoT، درخواست دسترسی به شبکه را به PCO یا CCO ارسال می‌کند. PCO پس از دریافت درخواست، STA را احراز هویت کرده و درخواست دسترسی به CCO ارسال می‌کند. پس از تأیید CCO، STA به شبکه PLC متصل شده و ارتباط داده برقرار می‌شود.

.

کاربردهای صنعتی PLC-IoT

PLC-IoT امکان ارتباط پرسرعت و قابل اعتماد اینترنت اشیا را، بدون نیاز به عملیات گسترده‌ی کارگاهی-میدانی، از طریق خطوط برق فراهم می‌کند. این فناوری هزینه‌های ساخت و استقرار ارتباطات را بیش از ۵۰درصد کاهش داده و زمان پیاده‌سازی را به‌شدت کوتاه می‌کند. از این رو، PLC-IoT برای فرانامه‌های متنوعی مانند چراغ‌های راهنمایی هوشمند و روشنایی معابر هوشمند مطلوب و بهینه است.

.

چراغ‌های راهنمایی هوشمند

این راه‌کار با استفاده از PLC-IoT، داده‌ها را از طریق خطوط برق موجود انتقال می‌دهد. با بهره‌گیری از زیرساخت‌های فعلی و افزودن دستگاه‌های سازگار با PLC-IoT، مدیریت متمرکز تجهیزات کنترل ترافیک مانند چراغ‌ها، زمان‌گیرهای شمارش معکوس و صفحه‌های راهنمای ترافیک ممکن می‌شود. همچنین، با استفاده از «فناوری‌های رایانش لبه‌ای²⁶»، «انباره‌های اطلاعاتی²⁷» مجزا بین سامانه‌ها از بین رفته و داده‌های تقاطع‌ها²⁸ به اشتراک گذاشته می‌شود. این امر امکان پیوند هوشمند با شرایط ترافیک (مانند تشخیص خطاهای چراغ‌ها و پرس‌وجوی برخط اطلاعات) را فراهم کرده و مدیریت ترافیک هوشمند را محقق می‌سازد.

.

چراغ راهنمایی هوشمند

.

کاربردهای پی‌ال‌سی به عنوان چراغ روشنایی معابر

.

کنترل روشنایی معابر بر مبنای ساعت شبانه‌روز، طول و عرض جغرافیایی و حجم رفت و آمد

.

مطالب مرتبط:
فرمان از دور از راه برق شهر

آشنایی با انواع سامانه‌های «مخابرات خط نیرو»

.

پانویس‌ها:
1- Power Line Communication (PLC)

2- Internet of Things (IoT)

3- Scenarios

4- Last Mile

5- Industrial Field Bus

6 و 7- Interoperability, Poor Openness

مفهوم این دو واژه و عبارت در شبکه‌های انتقال داده بر مشکل اصلی در طراحی یا پیادهسازی سیستمهای ارتباطی اشاره دارد:

۱. Poor Openness (بازبودن پایین یا سیستم بسته)

- تعریف:   سامانه‌هایی که فاقد استانداردهای باز هستند و امکان ادغام یا تعامل با فن‌آوری‌ها، پروتکل‌ها یا سخت‌افزارهای دیگر را ندارند.

  - مثال: استفاده از پروتکل‌های اختصاصی (Proprietary) که فقط توسط یک شرکت خاص پشتیبانی می‌شوند.

  - مثال: عدم پشتیبانی از APIهای استاندارد برای اتصال به سیستم‌های خارجی.

 

- پیامدها:

  - وابستگی به یک فروشنده (Vendor Lock-in): کاربران مجبورند فقط از محصولات یک شرکت خاص استفاده کنند.

  - هزینه‌های بالاتر: نیاز به خرید تجهیزات اختصاصی و گران‌قیمت.

  - عدم انعطاف‌پذیری: عدم امکان ارتقاء سیستم با فن‌آوری‌های جدید.

 

۲. Poor Interoperability (تعامل‌پذیری ضعیف)

- تعریف: ناتوانی سامانه‌ها، سخت‌افزارها یا نرم‌افزارها در تبادل داده‌ها یا همکاری با یکدیگر به صورت یکپارچه.

  - مثال: پروتکل‌های ارتباطی ناسازگار بین دو دستگاه (مثلاً یک سنسور صنعتی و یک کنترلر).

  - مثال: فرمت‌های داده‌ی متفاوت که توسط سامانه‌های مختلف قابل خواندن نیستند.

 

- پیامدها:

  - مشکلات یکپارچه‌سازی: نیاز به واسطه‌های (Gateway) پیچیده برای تبدیل پروتکل‌ها.

  - افزایش پیچیدگی شبکه: مدیریت چندین سیستم غیرهمسان.

  - هزینه‌های نگهداری بالا: نیاز به نیروی متخصص برای رفع ناسازگاریها.

 

مثال واقعی در شبکه‌های صنعتی

در سیستم‌های قدیمی مبتنی بر فیلد باس (Field Bus) مانند Profibus یا Modbus:

- Poor Openness: این پروتکل‌ها اغلب اختصاصی هستند و با فن‌آوری‌های مدرن مانند Ethernet/IP یا IoT سازگاری ندارند.

- Poor Interoperability: اتصال دستگاه‌های Profibus به یک شبکه مبتنی بر TCP/IP نیاز به مبدل‌های خاص دارد.

 

راه‌حل‌های بهبود Openness و Interoperability

1. استفاده از استانداردهای باز (مانند Ethernet, TCP/IP, MQTT).

2. پیاده‌سازی پروتکل‌های سازگار (مانند OPC UA در صنعت).

3. استفاده از سخت‌افزارهای مدولار که قابلیت ارتقاء دارند.

4. به‌کارگیری Middlewareها برای تبدیل پروتکل‌های ناسازگار.

نکته پایانی:

پیش از این در متن این مقاله اشاره شد که این فن‌آوری با استفاده از خطوط برق به عنوان بستر ارتباطی، مشکل تعامل‌پذیری ضعیف و بازبودن پایین (مشکلات رایج در فیلد باس‌های صنعتی) را حل می‌کند. PLC با استانداردهایی مانند IEEE 1901.1، امکان همکاری بین دستگاه‌های مختلف را بدون نیاز به زیرساخت اختصاصی فراهم می‌سازد.

8- Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ، این فن‌آوری یک روش مدولاسیون دیجیتالی است که در آن وظیفه‌ی انتقال داده‌ها، مابین چندین فرکانس حامل تقسیم می‌شود و به عبارت دیگر «عمل مالتی پلکسینگ» با استفاده از تقسیم فرکانس انجام می‌گیرد. با وجود چیدمان تنگاتنگ فرکانس‌های حامل، اما، به علت انتخاب دقیق فرکانس حامل‌ها، جداسازی آن‌ها در سمت گیرنده به خوبی انجام‌پذیر می‌باشد. بدین جهت، تطابق بسیار دقیق بین فرکانس و فاز حامل‌ها در گیرنده و فرستنده (سنکرون بودن) الزام اصلی در این مدولاسیون است. خصوصیت اصلی OFDM مقاومت بالا در برابر «اثر چندمسیره‌شدن» (Multipath Effect, Fading) است. به این معنا که به علت و جود موانع مختلف مانند ساختمان‌ها، خودِ زمین، وسایط نقلیه و غیره در مسیر انتشار امواج، موجی که به گیرنده می رسد حاصل ترکیب نمونه‌های تاخیریافته‌ی سیگنال اصلی است که به آن چندمسیره‌شدگی موج دریافتی گفته می‌شود. همچنین، استفاده‌ بهینه از عرض باند فرکانس برتری دیگر این روش مدولاسیون است که قابلیت استفاده چندین کاربر از یک محدوده عرض باند فرکانس را به طور هم‌زمان فراهم می‌کند که به «دسترسی چندگانه» (Multipel Access) خوانده می‌شود. OFDM در بسیاری از استانداردهای مخابرات بی‌سیم مانند وای-فای، LTE و 5G به‌کاربرده می‌شود. برای خواندنِ بیشتر در این مورد، این پیوند را ببینید.

9- Multi-Level Networking

10- Data Link Layer

11- Application Layer

12- Open Systems Interconnection (OSI)

13- Network Layer

14- Transport Layer

15- Low Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN)، پروتکلی برای انتقال IPv6 روی شبکه‌های کم‌مصرف و محدود است.

16- Datagram Transport Layer Security (DTLS)، یک پروتکل امنیتی برای محافظت از داده‌ها در لایه انتقال است.

17- Constrained Application Protocol، پروتکل کاربردی بهینه‌شده برای دستگاههای محدود به منابع.

18- (CCO) Central Coordinator

19- Proxy Coordinator (PCO)

20- Station (STA)

21- Proxy Authentication

22- Tie

23- Dynamic Timeslot Management

24- Multi-Phase Imbalance

25- Gateway

26- Edge Computing Technologies

27- Information Silos

28- Intersection Datas

.

.

www.tesalkootah.ir || 2025-03-14 ©  2015 © All rights reserved www.etesalkootah.ir تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه‌های مشابه آن با ذکر واضح "اتصال کوتاه دات آی آر" بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل "کلیک" به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه‌های چاپی نیز در صورت چاپ واضح "www.etesalkootah.ir" بعنوان منبع مجاز است.

.