【文章內(nèi)容簡介】 沖干擾?？梢赃x擇合適的路燈工作頻率來減少或者避免這類干擾 人為干擾則是由連接在電力線上 設(shè)備本身。如路燈、 KQ130 模塊、功率變換單元等 。 在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn) ,電力線上的的干擾 不 是可知性高斯白噪聲 一種。 信號(hào)傳錯(cuò)了線 、 信號(hào)強(qiáng)度不夠 、 電力線污染 等都可以造成干擾，這些都可以 等效為熱噪聲。 多徑干擾 多徑效應(yīng) (MultiPath)[10]會(huì) 多徑會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的 衰落和相移 ，其中 多徑 指電信號(hào)從 發(fā)射 端到達(dá)接收端可以有很多經(jīng)過途徑。 如圖所示的電力線通信結(jié)構(gòu)模型中，發(fā)射信號(hào)和接受信號(hào)之間有兩條通路。由于信號(hào)通過的這些通路所用的時(shí)間不同，從而會(huì)引起相應(yīng)的相位的變化，這些不同路徑的延遲信號(hào)在接收機(jī)端疊加產(chǎn)生的失真的信號(hào)，即為多徑干擾。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 11 圖 32 多徑干擾 電力線通信信道模型 通過以上對(duì)電力線信道特性和噪聲干擾的分析 [10]。我們可以看出建立一個(gè)精確的、實(shí)用的模型是不可能的。并且實(shí)用價(jià)值和替換性并不大、可靠性不高、普及率不大，我們要具體問題具體分析。我們應(yīng)該很明確的知道每個(gè)模型都有自己的使用場(chǎng)合，當(dāng)然所遇到的主要噪聲和實(shí)現(xiàn)的主要功能不同模型的側(cè)重點(diǎn)也不相同。但是我們可以建立一個(gè)基本特性的近似模型，通過對(duì)近似模型的分析和研究，我們可以在此基礎(chǔ)上更深入的了解和分析我們所需要的部分。下面我們利用自控原理知識(shí)建立信道傳遞函數(shù)模型。 低壓電力線信道近似模型 研究的低壓電力線近似模型 [10]如圖 33所示。 圖 33 電力線信道簡化模型 在目前較為成熟的自動(dòng)抄表技術(shù)中較普遍地存在盲區(qū)問題 [17]。在用電高峰期，各種用電設(shè)備的不斷切入，斷開，對(duì)電力線的干擾不斷，容易出現(xiàn)信號(hào) 丟失現(xiàn)象 。 在電力載波技術(shù)中，我們也面對(duì)著一些實(shí)際問題需要解決，如： ，保持合適的傳輸速率并解決圖像馬賽克問題。 ，一定要考慮在加入線路高斯白噪聲的環(huán)境下，即在一定的信噪比下進(jìn)行傳輸性能的測(cè)試，有助于提高其實(shí)用價(jià)值和安全性。 。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 12 第四 章 照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 通過上面對(duì)通信知識(shí)，電力載波知識(shí)的了解，并對(duì) KQ130 模塊的 FSK 調(diào)制技術(shù)的掌握，而且我們也對(duì) PLC 信道進(jìn)行了分 析和建模，有了這些知識(shí)儲(chǔ)備，相信我們?cè)诮酉聛淼南到y(tǒng)設(shè)計(jì)中得心應(yīng)手。 本系統(tǒng)采用電力載波通信技術(shù)，以電力傳輸線作為媒介 [3]。完成主控站，總控站，和從控站之間的信息交換，可實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈開關(guān)時(shí)間設(shè)定、開啟比例設(shè)定、路燈壞損查詢，路燈電壓調(diào)整等相關(guān)操作。改變傳統(tǒng)的控制方式，實(shí)現(xiàn)了城市路燈的遠(yuǎn)程集中管理，提高了城市智慧水平，對(duì)人力、物力資源得到很大節(jié)約，具有很好的發(fā)展前景。 通過我們對(duì)電力載波技術(shù)的了解，利用現(xiàn)有布線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，可以減少投資和成本。目前，我國的路燈都是用 220V 電壓提供的，這樣就有了一個(gè)可靠的信道。 為了達(dá)到高可靠性和節(jié)約電能的目的，并結(jié)合現(xiàn)有的電力載波技術(shù)和手頭的電子元器件，設(shè)計(jì)出的基于電力線載波通信技術(shù)的智能化路燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。 從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)由總控站（城市路燈的總控制中心 /總樞紐，如：天津市路燈管理所 ）、主控站（城市各個(gè)行政區(qū)的控制中心，如：西青區(qū)路燈管理所）和從控站（各個(gè)行政區(qū)內(nèi)的各條街道或者各個(gè)居住小區(qū)，如：天津工業(yè)大學(xué)路燈管理辦公室）三部分組成 [9]?？偪驁D見 41圖： 圖 41 照明系統(tǒng)綜框圖 其各自構(gòu)成如下： 1） 總控站（城市路燈的總 控制中心 /總樞紐 ） 在本論文設(shè)計(jì)中，總控站是由主控單片機(jī)上的 LED 顯示燈和數(shù)碼管來模擬的，一旦接收到壞燈信息，數(shù)碼管立刻將其壞燈編號(hào)顯示出來， LED顯示燈將全排顯示，以提醒工作人員進(jìn)行檢修。總控站發(fā)出開關(guān)燈指令，利用電力載波技術(shù)到達(dá)各個(gè)從控站，從而實(shí)現(xiàn)路燈控制。并采集路燈的工作狀況。 2) 主控站（城市各個(gè)行政區(qū)的控制中心） 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 13 主控站內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 42所示。 遠(yuǎn) 程 集 中 控 制 室P C 機(jī)數(shù) 據(jù) 處 理部 分調(diào) 制 解調(diào) 器發(fā) 射 電 路接 收 電 路 圖 42 主控機(jī)結(jié)構(gòu)圖 下面是信源編碼的組成： 一個(gè)最基本的通信數(shù)據(jù)包由 8字節(jié) 數(shù)據(jù)組成： 第一、二字節(jié)是主控站標(biāo)識(shí)（可以是事先編寫好的 IP地址 ）； 第三字節(jié)是命令； 第四、五字節(jié)是分配給從站的地址（ IP地址或者虛擬 IP 地址 ）； 第六至第八字節(jié)為傳送的有效數(shù)據(jù)。 主控站分析的內(nèi)容：一是識(shí)別主機(jī)是否是自己的上級(jí)，二是識(shí)別從機(jī)地址是否有自己的地址。只有在全部確認(rèn)無誤后，從控站才執(zhí)行相應(yīng)的命令和操作。我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)通信，可以附加校驗(yàn)碼，最常用的循環(huán)檢驗(yàn)碼。在圖42 中的架構(gòu)圖中，表示出了它要實(shí)現(xiàn)的什么功能。本論文設(shè)計(jì)中，利用主單片機(jī)來控制路燈的“亮”“滅”狀態(tài)，一旦主單片機(jī)發(fā)出開 燈信號(hào)，從單片機(jī)上 LED燈將會(huì)顯示出狀態(tài)。 3)從控站（各個(gè)行政區(qū)內(nèi)的幾條街道或者幾個(gè)居住小區(qū)） 從控站的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖 43 所示，每個(gè)從控站可控制三組路燈（每組可表示一條街道或者一個(gè)居住小區(qū)內(nèi)的路燈，也可以分為很多組，這里為了方便表示只畫了三組）。它接收來自主控站發(fā)送的信號(hào)，信道是電力線，根據(jù)信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。另外，從控站可以對(duì)當(dāng)前的天色做出判斷，并根據(jù)事先調(diào)試的時(shí)間進(jìn)行采樣處理，以便在合適的時(shí)間對(duì)路燈的供電電壓做出合適的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)其節(jié)能的目的。用從單片機(jī)來模擬 從控站，從控制器控制路燈，并對(duì)路燈進(jìn)行檢驗(yàn)，一旦路燈工作不正常，將此狀態(tài)發(fā)送給主單片機(jī) [8]。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 14 掉 電 檢 測(cè) 及 電 池 電 壓 檢 測(cè)路 燈 驅(qū) 動(dòng) 電 路數(shù) 據(jù) 處 理部 分調(diào) 制 解調(diào) 器發(fā) 射 電 路接 收 電 路路 燈 驅(qū) 動(dòng) 電 路路 燈 驅(qū) 動(dòng) 電 路調(diào) 壓 電 路 圖 43 從控機(jī)結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)然，在上述通訊實(shí)現(xiàn)的過程，難免會(huì)發(fā)生信息傳輸延遲、信息亂碼的情況 [12]。我們遇到時(shí)，結(jié)合課題要求，做出合適的抗干擾和檢驗(yàn)措施的選擇。 在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通訊的可靠性和有效性是很重要。如果將總控站、主控站和從控站看做系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間的通信是通過載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的 [10]。 為了方便分析和 理解，本論文采取簡化法，即通過電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)單個(gè)路燈的智能化控制，其余問題只是采取類似的方法進(jìn)行組裝而已，這樣也方便我們更好的學(xué)習(xí)和理解。 電力線載波通信芯片的選擇 我國的電力載波芯片沒有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)替換性較差，在實(shí)際應(yīng)用中這是必須要考慮的。本論文采用的是四川科強(qiáng)電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 KQ— 130 電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 [7]。 由于 KQ130 里面集成了 KQ330，所以要想徹底了解到其相關(guān)知識(shí)和滿足我們開發(fā)應(yīng)用的能力。我們需要對(duì) KQ330有個(gè)徹底的了解， KQ130 只是在 KQ330的基礎(chǔ)上增加了一些外圍電路 [6]。 KQ330系列性能： 120～ 135KHZ，接口波特率 9600bps。實(shí)際波特率 100bps， 250個(gè)字節(jié)緩存器。 ： 25℃～ +70℃ 濕度≤ 95%。 ： DC +5V Imax≤ 20mA 12mA。 KQ330引腳說明 ： 正面從左至右為 1～ 11腳： 1P— IRX，載波信號(hào) 的 輸入 端； 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 15 2P— AGND， 輸入輸出 模擬 電路 共地 端口； 3P— VAD，模擬 電路電源與 AGND 之間并聯(lián)一只 470uF 電容 ； 4P— VCC， +5V 的供電電壓； 5P— DGND， 輸入輸出 數(shù)字電路共地 端口； 6P— RX，調(diào)制數(shù)據(jù) 的 輸入 端 ，接單片機(jī) 的 TXD 端口； 7P— GL，零點(diǎn)檢測(cè)輸入 端口 ，接光耦的集電極 端； 8P— T1， 載波頻率輸出 端口； 9P— TX，調(diào)制數(shù)據(jù)輸出端， 接單片機(jī) 的 RXD端口； 10P— MODE,載波數(shù)據(jù)模式控制 端口； 11P— NC。 KQ130F 電力載波數(shù)據(jù)收發(fā) 模塊 介紹 具有 FSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)的 KQ330 模塊已集成在 KQ130 內(nèi)部。 KQ330 的外圍 電路如圖 44 所示： K Q 3 0 0 E F零 點(diǎn) 檢 測(cè) 電 路載 波 接 收 電 路耦 合 電 路載 波 功 率 放 大 電路其 他 接 口2 2 0 V 電 力 線 圖 44 KQ130模塊內(nèi)部組成 載波信號(hào)功率放大電路 [6]如圖 45所示：如 45 圖所示： KQ330 模塊 被使能后，載波信號(hào)由 T1 端 輸出。經(jīng)過三極管功率放大后，輸出到 TI端和耦合電路上 。 二極管 D6 主要是將輸入端的電壓鉗制在一個(gè)合適的值內(nèi)，從而使輸出端更加穩(wěn)定，降低失真 。 這樣可以有效的減少發(fā)射的功率損耗，延長使用壽命。如 圖 45所示： 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 16 圖 45 載波信號(hào)功率放大電路 濾波接收電路 [6]如 46 圖所示， R3在接受發(fā)射信號(hào)時(shí)可以有效抵抗衰減；電感 L電容 C5 組成并聯(lián)諧振回路， 經(jīng)典濾波是根據(jù) 傅立葉 分析 和變換提出的一個(gè)工程概念 。結(jié)合數(shù)學(xué) 理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無限個(gè)正弦波疊加而成 ?，F(xiàn)代濾波技術(shù)主要有卡曼濾波、非線性濾波、維納濾波等。 在本電路中，諧振以中心頻率為 120KHz 設(shè)計(jì)，為了和 KQ330 模塊的工作頻率（ 120～ 135KHZ）相對(duì)應(yīng)， 電容和電感完成對(duì)有效信號(hào)的帶通濾波；由電感、電阻、電容組成的選頻回路可以有效提高載波接收靈敏度。根據(jù)并聯(lián)諧振公式： LC?2 1f ? (41) 以 f=120KHz，選擇電容為 C5=4700P，可以選擇合適的電感值， L2=220uH。 二極管 D D10的作用是將接收信號(hào)的電位鉗制在177。 ， IRX被內(nèi)部上拉后平移到 177。 ，以利于后續(xù)處理。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 17 圖 46 濾波接收電路 零點(diǎn)檢測(cè)電路 [14]：零點(diǎn)檢測(cè)也叫過零檢測(cè)。如圖 47所示，主要任務(wù)是： 1.是完成對(duì)電路的斷點(diǎn)檢測(cè)； 。 KQ330EF 的 GL 端口是專用來零點(diǎn)檢測(cè)的。接在光電耦合的集電極上， 產(chǎn)生一個(gè)上升沿或下降沿，與其他電路進(jìn)行同步。 相當(dāng)于數(shù)字芯片里面的使能端。 如圖 47所示： 圖 47 零點(diǎn)檢測(cè)電 路 載波耦合電路 [11]：該電路的功能有兩個(gè)，一個(gè)是將經(jīng)過發(fā)送電路功率放大后的信號(hào)耦合到電力線上；另一個(gè)是從電力線上獲取有效地載波信號(hào)。如圖 48 所示： 圖 48 載波耦合電路電路 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 18 通過對(duì)以上 KQ330 模塊的外圍電路分析 ， 集成后的 KQ130 電力載波模塊的電路圖如 49 所示： 圖 49 KQ130模塊電路圖 KQ130 引腳 [7] 正面從左至右為 19腳 ： 圖 410 KQ130模塊引腳圖 1P— AC： 220V 交流電壓的火線（或零線） ； 2P— AC： 220V 交流電壓的零線（或火線） ； 1P 和 2P 那個(gè)是火線，那個(gè)是零線沒有嚴(yán)格分明，以免在接入不正確的情況下引發(fā)不必要的危險(xiǎn)。 3P— +5V： +5V 發(fā)送電 壓通過內(nèi)部調(diào)制可以提供 260mA 的工作電流 ，如果 單獨(dú)收 傳送的 數(shù)據(jù) 時(shí)， 可以懸空 來 降低功耗 和延長模塊的使用壽命； 4P— GND： 輸入輸出 數(shù)字電路 的接地端； 5P— +5V： +5V 的 工作電源 ，內(nèi)部調(diào)制可以提供 11mA 的工作電流； 6P— RX： TTL 電平 信號(hào) ，載波數(shù)據(jù) 輸入端 ，接單片機(jī)的 TXD端； 7P— TX： TTL 電平 信號(hào) ，載波數(shù)據(jù) 輸出端 ，接單片機(jī)的 RXD端， 高阻輸入不能懸空 ； 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)論文 19 6P 和 7P 主要完成單片機(jī)和電力載波模塊的數(shù)據(jù)通信。 8P— MODE：懸空或接 5V 高電平 是默認(rèn)模式 ，接地為低電平 可以設(shè)置自己需要的模式； 9P— NC/RST ：復(fù)位腳。毋需此功能，引腳應(yīng)懸空 。 路燈的智能化實(shí)現(xiàn)