ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG
QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC ỨNG DỤNG CHO
Hệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
NGÔ QUỐC VIỆT
Thái Nguyên 2011
i
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi,
luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trƣớc
đó.
Thái Nguyên, ngày 08 tháng 10 năm 2011
Tác giả luận văn
Ngô Quốc Việt
iii
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận
tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng
Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn
PGS.TS Nguyễn Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực
hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời
gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn
khiển. Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ hỗ trợ trong lĩnh vực
truyền thông và công nghệ thông tin thì hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung
cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với truyền dữ liệu trực tiếp tới ngƣời sử dụng.
Công nghệ truyền thông trên đƣờng dây điện lực PLC mở ra hƣớng phát triển mới
trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu ngày một
cao của con ngƣời về thông tin phục vụ lao động và sinh hoạt.
Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Hà cùng
các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại
học Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung:
“Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ
thống điều khiển Ngôi nhà thông minh”. Đề tài gồm các nội dung chính nhƣ sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và
sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của
PLC; Phân tích rõ đặc điểm của kênh truyền điện lực với các yếu tố nhiễu và suy
hao tác động. trên cơ sở đó chỉ ra những kỹ thuật cải tiến trên PLC nhƣ phối ghép
lƣới điện, mã hóa và điều chế thông tin. v
Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC
Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm
làm giảm ảnh hƣởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lƣợng của hệ thống
PLC bao gồm phối ghép lƣới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ…
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh sử dụng công
nghệ PLC – Trên cơ sở các kiến thức có đƣợc từ chƣơng 1 và 2 chƣơng này ứng
dụng vi điều khiển Pic thiết kế minh họa một hệ thống điều khiển thiết bị trong một
Ngôi nhà thông minh thông qua đƣờng dây điện lực.
Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hƣớng phát
triển của đề tài.
ii
Lời cảm ơn
iii
Lời nói đầu
iv
Mục lục
vi
Danh mục các bảng biểu
xi
Danh mục các hình vẽ
xii
Các thuật ngữ viết tắt
xv
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC
1
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC
1
1.1.1. Khái niệm PLC
1
1.1.2. Một số thành tựu đạt đƣợc của PLC
3
1.1.3. Phân loại công nghệ
4
1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp
4
1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít
4
1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi
5
CHƢƠNG 2
MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC
15
2.1. Đặc tính kênh truyền đƣờng cáp điện
15
2.1.1. Sự giới hạn băng thông
16
2.1.2. Nhiễu trên đƣờng cáp điện
17
2.1.2.1. Nhiễu tần số 50Hz.
17
2.1.2.2. Nhiễu xung đột biến
17
2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn
18
2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài
18
2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ
19
2.1.2.6. Nhiễu sóng radio
19
2.1.2.7. Nhiễu nền
20
2.1.3. Trở kháng đƣờng truyền và sự phối hợp trở kháng
20
2.1.4. Suy hao trên lƣới điện
20
2.1.5. Hiện tƣợng sóng dừng
21
2.4.1.Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông.
35
2.4.2.Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK.
27
2.4.3.Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK
38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
viii
2.4.4.Điều chế PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK.
39
2.4.5.Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực.
39
2.4.5.1. Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu
39
2.4.5.2. Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu.
39
2.5. Kỹ thuật trải phổ
41
2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp
42
2.5.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK
42
2.5.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK
46
2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum)
48
2.6. Công nghệ OFDM
49
2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM
71
3.2. Thiết kế nhà thông minh dựa trên công nghệ PLC
73
3.2.1 Giới thiệu
73
3.2.2. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống
74
3.2.2.1. Modem truyền thông trên đƣờng dây điện
74
3.2.2.2. Bộ vi điều khiển PIC16F876
77
3.2.2.3. Các cổng vào ra
78
ix
3.2.2.4. Bộ thu phát đồng bộ/ không đồng bộ đa năng
80
3.2.3. Lựa chọn tốc độ Baud
81
3.2.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
83
3.2.5. Phần mềm thi hành
84
3.2.5.1. Lập trình PIC16F876
84
3.2.5.2. Sơ đồ lập trình cho PIC16F876
85
3.2.6. Thiết kế phần cứng
86
3.2.6.1. Bộ vi điều khiển PIC16F876
105
Tài liệu tham khảo
107
Phụ lục 1
109
Phụ lục 2
115
Phụ lục 3
117 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. trạng thái pha của phƣơng pháp điều chế QPSK
51
Bảng 3.1. Mô tả các chân của TD A5051
75
Bảng 3.2: Các thanh ghi kết hợp với PORTA
79
Bảng 3.3: Toàn bộ các thanh ghi đƣợc gán với PORTB
80
Bảng 3.4: Công thức tính tốc độ baud
81
Bảng 3.5: Tốc độ baud ở chế độ không đồng bộ
82
Bảng 3.6. Minh họa các từ mã
102
18
Hình 2.6: Nhiễu xung tuần hoàn
18
Hình 2.7: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó
19
Hình 2.8: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz
21
Hình 2.9: Hiện tƣợng sóng dừng
21
Hình 2.10: Mạch ghép dung kháng
24
Hình 2.11: Mạch ghép kết hợp LC
25
Hình 2.12: Các mạch lọc RC
27
Hình 2.13: Các mạch lọc LC đơn giản
27
Hình 2.14: Các mạch cộng hƣởng LC
27
Hình 2.15: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741
28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
xii
Hình 2.16. Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ ½
29
Hình 2.17. Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23
30
Hình 2.18. Sơ đồ lƣới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23
31
49
Hình 2.34. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM
50
Hình 2.35: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang
b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang
50
Hình 2.36: Phổ của các sóng mang trực giao
51
Hình 2.37: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM
52
Hình 2.38: Sơ đồ một hệ thống OFDM
53
xiii
Hình 2.39: Ảnh hƣởng của ISI
54
Hinh 2.40: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống
54
Hình 2.41: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix
54
Hình 1.8: X10 timing on 60 Hz waveform
55
Hinh 1.9: X10 packet format
56
Hình 1.10: CEBus spread spectrum chirp
58
Hình 3.1: Các hệ thống trong nhà thông minh
60
Hình 3.2: Hệ thống an ninh
61
85
Hình 3.17: Sơ đồ mạch của khối điều khiển
85
Hình 3.18: Sơ đồ chân cho đầu nối cái DB9
88
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
xiv
Hình 3.19: Trạng thái logic theo chuẩn EIA232
89
Hình 3.20: Sơ đồ mạch của truyền thông nối tiếp
89
Hình 3.20: Sơ đồ mạch nạp JDM
90
Hình 3.22: Modem điện Philips TDA5051A
91
Hình 3.23: Mạch ghép sử dụng biến áp
92
Hình 3.24: Sơ đồ cấp nguồn
93
Hình 3.25. Sơ đồ mạch tổng thể
93
Hình 3.26. Sơ đồ thiết kế mạch in
94
Hình 3.27: Mô phỏng hình ảnh thực của modul điều khiển PLC
95
Hình 3.28: Mô hình mạng quản lý thiết bị
96
Hình 3.29: Đồng bộ thu, phát tại các vị trí qua không của tín hiệu 50 Hz
98
Amplitude Modulation
Điều biên
AMR
Automated Meter Reading
Tự động đọc công tơ
AMM
Automated Meter Management
Tự động quản lý công tơ
ASK
Amplitude Shift Keying
Khóa dịch biên
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BSC
Base Station Control
Điều khiển trạm gốc
BSK
Binary Shift Keying
Khoá dịch pha cơ hai
BTS
Base Transceiver Station
Trạm thu phát gốc
CDMA
Code Divission Multiplex Access
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Frequency Hopping
Nhảy tần
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
Trải phổ nhảy tần
FM
Frequency Modulation
Điều tần
FSK
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần
FDM
Frequency Division Multiplexing
Đa truy nhập theo tần số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
xvi
FPGA
Field Programmable Gate Array
Phạm vi có thể lập trình cổng
mạng
GSM
Global System for Mobile
communication
Điện thoại di động toàn cầu
HCS
Host Center Station
Trạm máy chủ trung tâm
HLR
Home Local Register
Mobile Station
Máy di động
MSC
Mobile Switching Center
Trung tâm chuyển mạch di
động
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Điều chế đa sóng mang
PC
Personal Computer
Máy tính cá nhân
PCM
Pulse Code Modulation
Điều chế xung mã
PIN
Personal Identification Number
Số nhận dạng cá nhân
PLC
Power Line Communication
Truyền thông trên đƣờng cáp
điện
PLL
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
PLM
Power Line Modem
Modem điện lực
PRBS
Smart
IMS
Smart Integrated Metering System
Hệ thống đo lƣờng tích hợp
thông minh
SIM
Subscriber Identifier Modul
Đơn vị nhận dạng thuê bao
SSMA
Spread Spectrum Multiple Access
Đa truy nhập trải phổ
VLR
Visitor Local Register
Thanh ghi định vị tạm trú
WLL
Wireless Local Loop
Truy nhập không dây nội hạt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC
(POWER LINE COMMUNICATION)
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC
1.1.1. Khái niệm PLC
PLC ( Power Line Communication ) là công nghệ sử dụng mạng lƣới đƣờng
dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí
Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhƣng thực ra đã đƣợc sử
dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành Điện. Ví
dụ nhƣ hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát 10W để
truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đƣờng dây cao thế với khoảng cách lên tới
500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải của
hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hay hiện nay, công nghệ PLC đƣợc sử
dụng cho các ứng dụng trong nhà nhƣ hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá
Ý tƣởng truyền tín hiệu thông tin trên đƣờng dây tải điện đã đƣợc sử dụng từ
lâu bằng cách sử dụng phƣơng thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on – turn
off carrier). Giống nhƣ các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện
lực Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật này để truyền tải các thông tin phục vụ ngành
điện, nhƣng với cách này tốc độ truyền tin rất thấp. Ngày nay với sự phát triển
nhanh chóng của công nghệ, đặc biệt là công nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3
cho từng ứng dụng đặc biệt – ASIC (Application Specific Integrated Circuit) đã cho
phép PLC có những bƣớc phát triển nhảy vọt và trở thành một trong những công
nghệ truy cập băng rộng và tốc độ cao đầy hứa hẹn.
1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC
Ý tƣởng về việc gửi tín hiệu thông tin trên cùng một cặp dây đƣợc sử dụng để
phân phối điện cũng bắt nguồn từ xa xƣa nhƣ điện báo, tuy nhiên số lƣợng thiết bị
truyền thông đƣợc cài đặt trên hệ thống dây dành riêng vƣợt xa số lƣợng cài đặt trên
dây điện nguồn AC mà không có bất cứ lý do nào. Cho đến mấy thập kỷ gần đây
con ngƣời thể nghĩ đến sự lãng phí của việc có bỏ qua khả năng giao tiếp của nguồn
điện AC. Trong năm 1920 có ít nhất hai bằng sáng chế đƣợc cấp cho công ty điện
báo điện thoại của Mỹ AT&T trong lĩnh vực của "Truyền tín hiệu qua các mạch
cung cấp”. Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.607.668 và 1.672.940, nộp trong năm 1924
- Mức điện áp trung bình (10-30KV): Cung cấp cho các khu dân cƣ rộng, các
khu công nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài
chục kilomet.
- Mức điện áp thấp (110V-380V): Cung cấp điện năng cho các khách hàng là
các hộ gia đình, cơ quan, trƣờng học…với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm
mét đến vài kilomet. Hệ thống lƣới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do
vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng mạng hạ thế có tiềm
năng rất lớn.
Vì thực tế truyền dẫn tín hiệu trên lƣới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên
mạng mà phần lớn các thiết bị điện vận hành, tạp âm và méo trên những mạng này
rất cao. Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng này thay đổi theo mỗi tải đƣợc bật
hay tắt, vì vậy mỗi công nghệ PLC lƣới điện hạ thế cần có giải pháp khắc phục
những vấn đề vật lý nhƣ vậy.
1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít
- PLC băng hẹp – tốc độ bít thấp: Ứng dụng PLC đầu tiên đƣợc dùng cho
phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Phạm vi này chỉ yêu cầu tốc độ
bít thấp. Vì lý do đó và vì lý do quy định, ngƣời ta đã xác định giải tần có thể dùng
cho yêu cầu tự động trong nhà và trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Dải tần đó
nằm trong khoảng từ 3KHz đến 148.5KHz (Tiêu chuẩn CENELEC – châu Âu) hoặc
từ 3KHz đến 450KHz (Tiêu chuẩn ở Mỹ và Nhật).
- PLC băng rộng – tốc độ cao: Vì giải tần đƣợc quy định bời CENELEC chỉ
cho phép truyền dẫn ở tốc độ tƣơng đối thấp, các nghiên cứu cho giải tần cao đang
đƣợc thực hiện. Vấn đề chính của dải tần này là tín hiệu tần số cao đặt trên dây dẫn
sẽ suy hao lớn. Dải tần MHz cũng xung đột với tần số dùng cho các dịch vụ khác
chẳng hạn nhƣ an ninh, điều khiển không lƣu, các dịch vụ phát thanh quảng bá, dịch
vụ quảng cáo khác… Đó là lý do tại sao cần phải đề ra các quy định thống nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5
ứng với méo tín hiệu.
Kỹ thuật thứ tƣ kết hợp điều chế của một tần số thấp, xung cƣờng độ cao trong
dòng điện để liên lạc. Các loại hình giao tiếp nhƣ vậy đã đƣợc thử nghiệm bởi các
công ty phân phối để quản lý tránh các lỗi của tải của họ Trong số các công nghệ
Copyright: Tài liệu đại học ©