基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计.doc

毕业毕业论文论文 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计 姓姓 名名 学学 院院 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 专专 业业 自自 动动 化化 指导教师指导教师 职职 称称 专家专家 20232023 年年 5 5 月月 1 1 日日天津工业大学毕业论文任务书天津工业大学毕业论文任务书 题目题目 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计 学生姓名学生姓名 额外特温特 学院名称学院名称 电气工程与自动化学院 专业班级专业班级 过多个地方 课题类型课题类型 实际课题 课题意义课题意义 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统可以填补当前路灯控制器的局限性，将电力载波技术应用于路灯控制过程中，实现主控站和从控制站之间的信息互换，从而实现路灯的智能化，并且成本低，易于推广应用。它可以实现远程控制，并和现有的电力线兼容，检修方便，可以提高城市路灯的运用率，节能。任务与进任务与进度规定度规定 312-3.30：对此设计进行初步的了解和资料查询，对本设计方案具有初步的轮廓 4.2-4.30：完毕控制设计，及硬件电路设计，5.4-5.30：完毕毕业论文任务书初稿，并对设计的硬件进行调试；5.31-6.7：完善任务书，准备毕业答辩，准时完毕 重要参考重要参考文献文献 1 M.-H.Shwehdi,“A Power Line Data Communication Interface using Spread Spectrum Echnology in Home Automation J,”IEEE Trans.Power Delivery,vol.11,no.3,July 1996,pp.1232-1237.2 张辉.现代通信原理与技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2023.3 齐国清.信号检测与估计M.北京：电子工业出版社，2023.4 朱小龙.数字通信技术M.北京：化学工业出版社，2023.起止日期起止日期 2023 年 3 月 12 日2023 年 6 月 7 日 备注备注 院长院长 教研室主任教研室主任 指导教师指导教师 毕业论文开题报告表毕业论文开题报告表 20232023 年年 3 3 月月 1010 日日 姓名姓名 发给 学院学院 电气工程与自动化 专业专业 自动化 班级班级 梵蒂冈 题目题目 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计 指导教师指导教师 东方省 一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的重要内容、目的和意义：一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的重要内容、目的和意义：国外研究情况国外研究情况：国外很多国家已经将此技术应用于智能化大厦三 A 系统之中，而我国起步晚，虽然取得很大发展但是 PLC 技术的标准并不完善，符合新标准的器件还不很成熟。课题研究的重要内容课题研究的重要内容：主单片机和从单片机之间通过电力载波技术来进行通信。主单片机用来实现对从单片机的控制，从单片机完毕对路灯的控制，并对此灯的状况进行自检（检测此灯的电流），将路灯的工作状况通过电力载波技术传送到主控机上，并显示出来。课题研究的课题研究的目的：目的：传统的路灯控制采用开关控制，能源浪费严重、管理手段单一、信息化水平低下、缺少故障积极报警机制、故障灯难以发现等一系列问题。改变传统的控制方式，实现了城市路灯的远程集中管理。课题研究的课题研究的意义意义：智能化路灯控制系统可以填补当前路灯控制器的局限性。它可以实现远程控制，并和现有的电力线兼容，检修方便，可以提高城市路灯的运用率，节能。二、进度及预期结果：二、进度及预期结果：起止日期起止日期 重要内容重要内容 预期结果预期结果 3.2-3.30 4.2-4.30 5.4-5.30 5.31-6.7 对此设计进行初步的了解和资料查询；完毕控制设计，及硬件电路设计；完毕毕业论文任务书初稿，并对设计的硬件进行调试；完善任务书，准备毕业答辩，准时完毕本论文 设计出总体的框架图，查相关资料；运用 eagle 和 Protel 99 SE 绘图工具完毕一些电路图绘制，运用 Multisim 仿真软件一些电路仿真；用keil 编写程序；最后调试。完毕课题的完毕课题的现有条件现有条件 AT89S52 单片机开发板，电脑，各种参考书籍 审查意见审查意见 指导教师：指导教师：年年 月月 日日 学院意见学院意见 主管领导：主管领导：年年 月月 日日 天津工业大学本科毕业论文评阅表（论文类）题目题目 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计 学生姓名学生姓名 电话费 学生班级学生班级 自动化 094 班 指指导教师姓名导教师姓名 股份规范性 评审项目评审项目 指标 满分 评分 选题选题 能体现本专业培养目的，使学生得到较全面训练。题目大小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完毕。10 题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10 课题调研、课题调研、文献检索文献检索 能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实行方案；有分析整理各类信息，从中获取新知识的能力。15 论文撰写论文撰写 结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清楚。10 文字通顺，用语对的，基本无错别字和病句，图表清楚，书写格式符合规范。10 外文应用外文应用 能对的引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5 论文水平论文水平 论文论点对的，论点与论据协调一致，论据充足支持论点，论证过程有说服力。15 有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结论有可验性。15 论文有独到见解或有一定实用价值。10 合计合计 100 意见及建议：评阅人署名：评阅人署名：年年 月月 日日 天津工业大学毕业论文成绩考核表 学生姓名学生姓名 啊 学院名称学院名称 电气工程与自动化学院 专业班级专业班级 为 题目题目 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计 1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：指导教师签字：指导教师签字：年年 月月 日日 成绩：成绩：2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：答辩主席（或组长）签字：答辩主席（或组长）签字：年年 月月 日日 3毕业设计（论文）总成绩：毕业设计（论文）总成绩：a.指导教师 给定成绩 b.评阅教师 给定成绩 c.毕业答辩成绩 总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)摘摘 要要 本论文一方面对通讯系统基础知识、电力载波技术基础知识做了一个具体的介绍，然后对电力载波通讯过程中的信道特性以及干扰噪声进行分析，并运用自控原理知识建立相应的信道传输模型。接着建立了论文任务规定的总体框架图，对此设计中的电力载波通讯的可行性和优越性进行了具体分析论证。通过对单灯的电力载波收发模块的实现、单片机控制单灯的实现、单灯的电流检测实现、单灯的调压实现、节能分析等做了具体的阐述，论证和仿真。运用 eagle 和 Protel 99 SE 绘图工具完毕一些电路图绘制和 PCB 板印制等，运用 Multisim 仿真工具完毕一些电路仿真、性能和节能分析等。软件开发运用 keil 编写，并对主机，从机之间的通讯程序流程图进行编写。然后，将在硬件调试和软件调试过程中暴露出来的问题进行分析和解决。最后在两块单片机板上显示上述任务规定。成绩：成绩：关键词关键词：电力载波技；FSK 调制技术；单片机通信；单片机；ABSTRACT This paper first analyze the low-voltage power line channel characteristics,and establish the corresponding channel model;then based on its overall structure and the design of the framework,the implementation of single-chip microcomputer control single lamp,single lamp current detection,single lamp voltage regulation implementation,as well as detailed on the elaboration,demonstration and simulation.Use the eagle and Protel 99 SE drawing tool to complete some circuit diagram drawing and PCB printing,etc.,using the Multisim simulation tools to complete some circuit simulation,performance,energy saving experiment,etc.Use Keil compile software development,write the host,and subordinate machine the communication program flow the chart.Then,in the hardware debugging and software debugging process to analyze and solve problems.Finally on the two pieces of single chip microcomputer board to complete the above task requirements.Keywords:Electric power carrier technology；FSK modulation technology,；Single chip microcomputer communication；Single chip microcomputer；目 录 前言 .1 第一章 电力载波技术绍.2 1.1 通信系统基础.2 1.1.1 通信系统分类.2 1.1.2 通信方式.2 1.1.3 通信系统性能指标.2 1.2 电力载波技术.2 1.3 电力载波技术的简朴应用.3 第二章 FSK 调制技术.5 2.1 电力载波技术的发展状况.5 2.2 FSK 调制技术.6 2.2.1 FSK 调制基础.6 2.2.2 FSK 调制方式.6 2.2.3 FSK 调制应用模型.7 第三章 电力线通信信道分析.9 3.1 电力线传输信道特性.9 3.1.1 时变性.10 3.1.2 衰减特性.10 3.1.3 电力线干扰.10 3.1.4 多径干扰.10 3.2 电力线通信信道模型.11 3.2.1 低压电力线信道近似模型.11 第四章 照明控制系统设计.12 4.1 照明控制系统方案设计.12 4.2 载波通信模块设计.14 4.2.1 电力线载波通信芯片的选择.14 4.2.2 KQ-130F 电力载波数据收发模块介绍.15 4.3 路灯的智能化实现.19 4.3.1 节电效能分析.20 4.4 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统结构图和电路图.22 4.5 硬件调试问题及其解决.23 第五章 电力载波通信协议与软件设计.24 5.1 KQ-130 与单片机的通讯.24 5.2 软件流程图的实现.24 5.3 软件调试问题及其解决.27 第六章 论文总结.28 参考文献.29 附录.30 谢辞.39 前前 言言 国外研究情况国外研究情况 国外很多国家已经将此技术应用于智能化大厦的三 A 系统之中，欧美国家已经运用此技术，实现了配电网的自动化和远程控制。而我国起步晚，虽然取得很大发展但是 PLC 技术的标准并不完善，符合新标准的器件还不很成熟。我国重要将此技术应用于自动抄表、过程控制等较小的应用领域。近年来，随着国家节能政策的不断贯彻，很多公司投入到电力载波通讯研究领域。论文研究的重要内容论文研究的重要内容 本课题采用电力载波通信技术，以电力传输线作为媒介。完毕主单片机和从单片机之间的信息互换，并实现了对路灯开关时间、路灯输入电压的调整、路灯坏损的电流检测等任务。并通过功率变换单元通过调整路灯的输入电压来完毕节能的目的。运用主单片机对路灯的开关状态进行控制，从单片机对路灯的状况进行不断检测。运用电力载波模块将这个灯的状态传送给主单片机，并将此状态在主控机上显示出来，并根据其状态信息在主控界面上显示出来。论文研究的意义论文研究的意义 传统的路灯控制采用开关控制，能源浪费严重、管理手段单一、信息化水平低下、缺少故障积极报警机制、故障灯难以发现等一系列问题。传统的控制方式很难满足现代城市发展水平和信息化建设的规定。因此，一种可靠、节能的控制方式是建设智慧城市必不可少的。改变传统的控制方式，实现了城市路灯的远程集中管理，不仅提高了城市的智能化水平，并且也在路灯维护方面节约了大量的人力、物力，其调压功能实现路灯的节能。它具有远程控制，和现有的电力线兼容，检修方便等一些功能，可以提高城市路灯的运用率，节能。路灯的智能化是将检测技术，现代控制技术，通信技术融合到路灯控制领域。通过这些技术的融合来提高城市智能化水平，为建设智慧城市战略提供一个实验平台，并且达成节能的目的，具有很好的发展潜力。正由于如此，很多学者、专家投入到智能电网的建设中，开辟着一个全新的探索领域。第一章第一章 电力载波技术介绍电力载波技术介绍 1.11.1 通信系统基础通信系统基础 本论文重要完毕主单片机对从单片机的控制，从单片机控制路灯，而从单片机又将路灯状态传给主单片机，并将此状态在主单片机的显示屏上显示出来。电力载波技术完毕控制信号和路灯状态的传送。因此对通信基础和电力载波技术的了解是十分必须的。1.1.1 通信系统分类 通信是从一个地点向另一个地点互换和传递信息的一种方式。通信系统涉及发送装置和接受装置、传输介质、以及实现通讯的可靠性所需要的其它设备。在通信系统中根据媒介的不同，分为有线通信系统和无线通信系统13。有线通信采用导线。列如电话线，同轴电缆，波导，光导纤维等。作为传输媒质来完毕通信，此系统布线复杂，耗资大，成本高。无线通信依靠电磁破在空间传播达成传输信息的目的。具有成本低，但存在衰减，多径干扰及电磁干扰，系统的可靠性和安全性受限。考虑电力网遍及的现成的布线资源，我们应当充足发挥其潜能，节约有限的自然资源。运用电力载波技术，以电力线传输媒介，来传输路灯的状态和控制路灯，具有很重要的研究意义。1.1.2 通信方式 在通信系统的建立过程中，一方面根据对现场环境以及所要完毕的功能，选择合适的通信方式可以提高数据传送效率，提高系统的稳定性和可靠性。根据时间和信道关系可以分为单工，半双工和全双工三种15。单工通信：指消息只能朝着一个方向传送，只占用一个通道。半双工通信：指双方都能收发消息，但不能一端接受和另一端发送同时进行。全双工通信：指发送端和接受端可以同时收发消息，发送端可以变为接受端，接受端也可变为发送端，一般情况下为双向信道。1.1.3 通信系统性能指标 通信系统的重要任务是快速而又准确的传递消息。有效性、可靠性作为其最重要的评价指标。有效性解决传送信息的“速度”问题，可靠性解决传送信息的“质量”问题13。1.2 1.2 电力载波技术电力载波技术 电力线载波通信，PLC（Power Line Communication），是指运用现有的电力线作为信道，通过载波方式来发送模拟或者数字信号，是一种有线通讯方式。其最大特点是只要有电线，不需要重新架构电线4。电力载波通讯的工作原理是：由信息源发出信号，通过编码器的编码，调制器的调制，将此信息转成可用于传送的数码序列，耦合到电力线上，然后将此数码序列通过解调，译码，来送到受信者9。图 1-1 为电力载波通信模型16：图 1-1 电力载波通信模型 信号源：是产生和发出消息的人或设备(列如控制机、PC 机、DSP、单片机)。发出的消息可以是连续的波形也可以是离散的数字信号，其重要作用就是把各种消息转换成电信号。方便后面解决和传送。受信者：是来接受信号源发出的消息的人或者机器。编码器：信源编码器是将信号转换成数码序列，信道编码器是在数码序列中添加校验码，使接受端能发现或纠错有效信息，从而提高了通讯中传送消息的可靠性。调制器：是把输出的数码序列转换成合用于传送的高频射频振荡信号，解调器与调制器刚好相反。基本功能是将数码序列与通信协议、通信方式等匹配起来。信道：是传送信号的媒介。可以是物理的信号线也可以是电磁波等。媒介的特性对通信系统以及整个控制系统的可靠性和有效性具有很大的关系。译码器：译码是编码的逆过程。将数码转换成可以应用的消息，是由数字电路和模拟电路的组合来完毕的。同步系统：用于保证收发两端步调一致，协同工作。重要应用于内容更新比较频繁的场合。同步是电力载波通信系统中的重要组成部分。假如没有同步就会出现大量的错码乱码，载波同步系统的性能指标重要有：有效率、精度、同步建立时间、同步保持时间。噪声源：可以是人为因素导致，也可以是设备或者系统自身所具有的，但不是人们希望的15。1.3 1.3 电力载波技术的简朴应用电力载波技术的简朴应用 在一些涉及任务复杂、可靠性规定较高、实时性规定较强的领域，PLC 技术由于其抗干扰能力、抗衰减能力的限制并未得到实际应用。下面就对电力载波技术的现有系统的应用做一个简朴介绍。列如：在图 1-2所示，是一个电力载波技术在欧美应用很成熟的领域，由图中可以很明显的看到。病人的一切病状信息可以通过电力载波技术传送给医院，而医院的建议，诊断结果也可以借助于电力载波技术传送给用户，实现高效，及时的医疗检测系统。此网络的布局和大小，都是根据现有的电力线布局而来。图 1-2 医院监控网络 相对于国外的这些成熟的应用，而我国起步晚，虽然取得很大发展但是 PLC技术的标准并不完善，符合新标准的器件还不很成熟。虽然在远程抄表领域已经进入实际使用阶段，但是稳定性，可靠性，安全性这些基本问题并没有得到解决，并没有实现所谓的智能和自动。针对我国目前的现状，研究电力载波技术对我国现代化建设具有重要意义。可以提高我们的工作效率，改变落后产能。可见研究低压电力线通信对我国经济社会发展也具有非常重大的意义。第二章第二章 FSK 调制方式调制方式 2 2.1.1 电力线通信技术的发展状况电力线通信技术的发展状况 通过前言和第一章对通信系统和电力载波技术的了解。我们可以看出，选择合适的调制方式对于提高系统的可靠性和有效性具有重要意义。怎么样选择合适的调制方式，要从 PLC 技术的发展说起。电力载波通信技术的诞生已有很长时间了。但因干扰大，信号污染严重，只有在很少的相对封闭的地方实际应用。初期的 PLC 技术和现代 PLC 技术有很大的不同。初期重要借助于电力载波机，在通信的两端口都安装有阻波器（用来减少能量的损耗）。如表 2-1 所示，其发展历程：20世纪20-50年代20世纪50-90年代20世纪90年代以后电压/V11000220/380220/380载波频率/MHz1.00代表产品电力载波机ST7536/7537INT51,DS2应用领域监控，远程指示，设备保护以及语音提示自动抄表，电网负载控制与供电管理宽带高速多媒体通信，楼宇智能网络 表 2-1 电力载波发展历程 由表中可以看出，电力载波技术通过了电力载波机、功能单一的电力载波芯片到现在的网络设计中。通过现代载波技术的发展，让其在更广阔的领域应用成为也许。本论文重要针对 KQ-130 模块的需要，对其电力线的信道，信道建模具有具体分析。实际应用表白，电力载波技术的信道变化剧烈，干扰强，各种突发噪声多等一系列问题。在这些问题的严重影响下，通信的可靠性、安全性、有效性等受到严重威胁，同时这也在很大限度上限制了它的使用。因此，探索一种实际可行、可操作的调制方式是非常重要的。技术上调制方式可分为数字调制方式和模拟调制方式。两个调制方法的原理基本相同，如图 2-2所示，输入的基带信号通过调制器、信道再到解调器直到最后的基带信号输出，但在信道过程中，一定会出现各种噪声。采用数字键控的方法来实现数字调制信号称为键控法5。基于本论文 KQ-130模块采用的是 FSK 的调制方式，所以下面将对 FSK 调制技术做一个具体的介绍。其他的 PSK 技术、ASK 技术应不涉及，不做具体介绍。在图 2-2 中，也明显的表达出了调制方式的基本框图。FSK 调制技术也在此基础上演变而来。图 2-2 数字调制系统结构图 2.2 FSK2.2 FSK 调制技术调制技术 FSK（Frequency-shift keying）移频键控指的是用载波的频率变化来传递数字信息8。在目前的通讯技术领域，大多数采用的是FSK技术，此技术很常见，由于简朴，也很普遍。2.2.1 FSK 调制基础 FSK 调制技术是平常通讯中一种常见的、应用比较成熟、抗干扰很强的调制技术。并且在中低速数据传输通讯中得到了很广泛的应用。FSK 有两个分类，连续和离散的 FSK16。不管连续和离散，都是根据其输出波形进行拟定的。并且，以目前数字技术的发展，大多的离散 FSK 朝着连续 FSK发展5。2.2.2 FSK 调制方式 在2FSK 中，随着输入数据的不同，两个频率发生器的变化，相应的输出是二进制的1 和0。图2-3 非连续相位 FSK 产生 如图2-3所示，两个频率发生器 f1和 f2根据输入的二进制数据通过变换开关进行不断的切换，然后通过放大电路对信号的放大，从输出电路的输出端输出不连续的 FSK 信号。这种 FSK 的调制方式在传统的通信设备中采用较多。目前的越来越多的这种调制方式朝着连续 FSK 发展。如图2-4所示，接受到的 FSK 信号，通过带通滤波器来进行波形变化和信号调制，经带通滤波器后的信号通过包络检波电路完毕模拟信号到数据信号的转换和抽样，将其波形转换成二进制。然后将这些值进行比较。根据比较器来决定输出的数据比特是1还是0。包络检波包络检波带通滤波器FL带通滤波器FH接收的FSK信号判决 图2-4 非相干 FSK 接受机方框图 其中包络检波：包络检波8电路重要就是应用二极管和三极管。其元器件的寿命和稳定性也很高，大大提高接受机的稳定性，重要功能是将输入的波形转换成二进制数码。在信号调制和信道分析过程中，大多数噪声都是高斯过程。因此，在信道的建模中常加入高斯模型来增强实用性。FSK 一般采用正交相乘的方法来实现调制的数字化。如图2-5所示：延时放大低通滤波器X输入AB图 2-5 FSK 正交相乘的模型 2.2.3 FSK 的应用模型 路灯的运营状态通过 FSK 发送机，通过发送机的调制，耦合到电力线上，通过电力线的传输，通过 FSK 接受机，进行信号调制，最后将路灯的运营状态到总服务器上显示出来。同时总服务器的控制指令通过通过 FSK 接受机，调制，耦合到电力线上，再通过接受机，解码，来控制路灯的开关时间，电压调整等等。图2-6 FSK 应用模型 第三章第三章 电力线通信信道分析电力线通信信道分析 选择了合适的调制技术，但因 PLC 技术的信道变化剧烈，干扰强，各种突发噪声多等一系列问题。在这些问题的影响下，通信的可靠性、安全性、有效性等受到严重威胁，同时这也在很大限度上限制了它的使用。因此在此基础上分析 PLC的信道以及信道建模是很必要的。3 3.1.1 电力线传输信道特性电力线传输信道特性 信号在传输过程中碰到噪声是不可避免的。这些噪声可以是人为的也可以是设备自身所固有的。因而对通讯信道特性的分析和模型的建立是研究通信问题的基础。噪声对信号传输的可靠性和稳定性有很大关系，可见对信道信道分析和建模也是十分必要的。目前，大部分城市内的铁路通信、轨道交通通信系统、医疗系统、政务系统等都是基于双绞线、同轴电缆、光缆等物理媒介实现通信的12。这些通信线路，虽然通信容量大，但具有造价高，维护难，衰减大，抗干扰能力差、不利于检修等缺陷，特别对老城的改造更加不易。通过我们对电力载波技术的了解，运用现有的电力线进行数据传送，可以减少投资和成本。目前，我国的路灯都是用 220V电压提供的，这样就有了一个现有的布线广泛的的信道。信道具有广义信道和侠义信道之分10。侠义信道只是单纯的媒介。广义信道除了涉及媒介之外还涉及与通信相关的变换装置。这些装置可以是发送设备、接受设备、调制器、解调器等。图 3-1 为广义信道模型：图 3-1 广义信道模型 然而通信系统中存在着严重的干扰问题，特别是处在研究阶段的低压电力载波通讯方面，附加了加性噪声和电磁兼容问题。要在干扰严重和各种突发噪声多的电力线上实现可靠和稳定的数据通信并不是一件容易的事。如何选择调制方式、采用何种系统构架、采用何种通信协议、通信方式，应建立在对低压电力线信道特性了解的基础之上。这方面的研究以及相关论文，目前国内还较少。总的来说。信道传输干扰是很复杂的。3.1.1 时变性 在路灯供电过程中，我国采用的是 220V 交流两线供电。电力网上的各种用电设备的断切换，在信道上会表现出时变性，能引起信号的相位、幅值发生很大变化。并且在传输过程中信号是衰减的，很容易导致失真。3.1.2 衰减特性 电力网上的各种负载变化的不拟定和信号传输中的衰减，是通信过程中常见的问题。在电力载波技术中，衰减对信号的影响最大。由于电力线的非均匀分布，各种性质的设备随机的接入，因此信号在电力线上的传输必然存在着信号衰减。显然这种衰减与通信距离、信号频率等密切相关。总的来说传输距离越远，衰减越厉害。因此我们在设计系统的时候必须要考虑到这两个因素，折中让系统的总体性能达成最佳的状态。3.1.3 电力线干扰 在运用电力载波技术进行数据通信时，考虑的另一个干扰是电力线自身干扰。电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰9。非人为干扰指的是自然现象所引起的干扰,如打雷闪电。这个很容易在电力线上引起脉冲干扰。可以选择合适的路灯工作频率来减少或者避免这类干扰 人为干扰则是由连接在电力线上设备自身。如路灯、KQ-130 模块、功率变换单元等。在实际应用中发现,电力线上的的干扰不是可知性高斯白噪声一种。信号传错了线、信号强度不够、电力线污染等都可以导致干扰，这些都可以等效为热噪声。3.1.4 多径干扰 多径效应(MultiPath)10会多径会导致信号的衰落和相移，其中多径指电信号从发射端到达接受端可以有很多通过途径。如图所示的电力线通信结构模型中，发射信号和接受信号之间有两条通路。由于信号通过的这些通路所用的时间不同，从而会引起相应的相位的变化，这些不同途径的延迟信号在接受机端叠加产生的失真的信号，即为多径干扰。图 3-2 多径干扰 3.2 3.2 电力线通信信道模型电力线通信信道模型 通过以上对电力线信道特性和噪声干扰的分析10。我们可以看出建立一个精确的、实用的模型是不也许的。并且实用价值和替换性并不大、可靠性不高、普及率不大，我们要具体问题具体分析。我们应当很明确的知道每个模型都有自己的使用场合，当然所碰到的重要噪声和实现的重要功能不同模型的侧重点也不相同。但是我们可以建立一个基本特性的近似模型，通过对近似模型的分析和研究，我们可以在此基础上更进一步的了解和分析我们所需要的部分。下面我们运用自控原理知识建立信道传递函数模型。3.2.1 低压电力线信道近似模型 研究的低压电力线近似模型10如图 3-3 所示。图 3-3 电力线信道简化模型 在目前较为成熟的自动抄表技术中较普遍地存在盲区问题17。在用电高峰期，各种用电设备的不断切入，断开，对电力线的干扰不断，容易出现信号丢失现象。在电力载波技术中，我们也面对着一些实际问题需要解决，如：1.解决电力线上的设备对安装地点的敏感性问题，保持合适的传输速率并解决图像马赛克问题。2.对于这类载波设施的可靠性和有效性检查，一定要考虑在加入线路高斯白噪声的环境下，即在一定的信噪比下进行传输性能的测试，有助于提高其实用价值和安全性。3.制定相关的行业标准。第四第四章章 照明控制系统设计照明控制系统设计 通过上面对通信知识，电力载波知识的了解，并对 KQ-130 模块的 FSK 调制技术的掌握，并且我们也对 PLC 信道进行了分析和建模，有了这些知识储备，相信我们在接下来的系统设计中得心应手。本系统采用电力载波通信技术，以电力传输线作为媒介3。完毕主控站，总控站，和从控站之间的信息互换，可实现对路灯开关时间设定、启动比例设定、路灯坏损查询，路灯电压调整等相关操作。改变传统的控制方式，实现了城市路灯的远程集中管理，提高了城市智慧水平，对人力、物力资源得到很大节约，具有很好的发展前景。通过我们对电力载波技术的了解，运用现有布线实现数据传送，可以减少投资和成本。目前，我国的路灯都是用 220V 电压提供的，这样就有了一个可靠的信道。4 4.1.1 照明控制系统设计方案照明控制系统设计方案 为了达成高可靠性和节约电能的目的，并结合现有的电力载波技术和手头的电子元器件，设计出的基于电力线载波通信技术的智能化路灯控制系统的总体设计方案。从结构上看，系统由总控站（城市路灯的总控制中心/总枢纽，如：天津市路灯管理所）、主控站（城市各个行政区的控制中心，如：西青区路灯管理所）和从控站（各个行政区内的各条街道或者各个居住社区，如：天津工业大学路灯管理办公室）三部分组成9。总框图见 4-1 图：图 4-1 照明系统综框图 其各自构成如下：1）总控站（城市路灯的总控制中心/总枢纽）在本论文设计中，总控站是由主控单片机上的 LED 显示灯和数码管来模拟的，一旦接受到坏灯信息，数码管立刻将其坏灯编号显示出来，LED 显示灯将全排显示，以提醒工作人员进行检修。总控站发出开关灯指令，运用电力载波技术到达各个从控站，从而实现路灯控制。并采集路灯的工作状况。2)主控站（城市各个行政区的控制中心）主控站内部结构如图 4-2 所示。远程集中控制室PC机数据处理部分调制解调器发射电路接收电路 图 4-2 主控机结构图 下面是信源编码的组成：一个最基本的通信数据包由 8 字节数据组成：第一、二字节是主控站标记（可以是事先编写好的 IP 地址）；第三字节是命令；第四、五字节是分派给从站的地址（IP 地址或者虚拟 IP 地址）；第六至第八字节为传送的有效数据。主控站分析的内容：一是辨认主机是否是自己的上级，二是辨认从机地址是否有自己的地址。只有在所有确认无误后，从控站才执行相应的命令和操作。我们为了实现可靠准确的数据通信，可以附加校验码，最常用的循环检查码。在图4-2 中的架构图中，表达出了它要实现的什么功能。本论文设计中，运用主单片机来控制路灯的“亮”“灭”状态，一旦主单片机发出开灯信号，从单片机上 LED灯将会显示出状态。3)从控站（各个行政区内的几条街道或者几个居住社区）从控站的内部逻辑结构如图 4-3 所示，每个从控站可控制三组路灯（每组可表达一条街道或者一个居住社区内的路灯，也可以分为很多组，这里为了方便表达只画了三组）。它接受来自主控站发送的信号，信道是电力线，根据信号执行相应的操作。此外，从控站可以对当前的天色做出判断，并根据事先调试的时间进行采样解决，以便在合适的时间对路灯的供电电压做出合适的调整，以实现其节能的目的。用从单片机来模拟从控站，从控制器控制路灯，并对路灯进行检查，一旦路灯工作不正常，将此状态发送给主单片机8。掉电检测及电池电压检测路灯驱动电路数据处理部分调制解调器发射电路接收电路路灯驱动电路路灯驱动电路调压电路 图 4-3 从控机结构图 当然，在上述通讯实现的过程，难免会发生信息传输延迟、信息乱码的情况12。我们碰届时，结合课题规定，做出合适的抗干扰和检查措施的选择。4 4.2.2 载波通信模块设计载波通信模块设计 在系统运营过程中，通讯的可靠性和有效性是很重要。假如将总控站、主控站和从控站看做系统的一个节点。节点之间的通信是通过载波技术实现的10。为了方便分析和理解，本论文采用简化法，即通过电力载波技术实现单个路灯的智能化控制，其余问题只是采用类似的方法进行组装而已，这样也方便我们更好的学习和理解。4.2.1 电力线载波通信芯片的选择 我国的电力载波芯片没有相关的行业标准替换性较差，在实际应用中这是必须要考虑的。本论文采用的是四川科强电子技术有限公司生产的 KQ130 电力载波数据收发模块7。由于 KQ-130 里面集成了 KQ-330，所以要想彻底了解到其相关知识和满足我们开发应用的能力。我们需要对 KQ-330 有个彻底的了解，KQ-130 只是在 KQ-330的基础上增长了一些外围电路6。KQ-330系列性能：1.工作频率120135KHZ，接口波特率9600bps。实际波特率100bps，250个字节缓存器。2.温度范围：-25+70 湿度95%。3.供电电源：DC+5V Imax20mA12mA。KQ-330引脚说明：正面从左至右为111脚：1PIRX，载波信号的输入端；2PAGND，输入输出模拟电路共地端口；3PVAD，模拟电路电源与 AGND 之间并联一只470uF 电容；4PVCC，+5V 的供电电压；5PDGND，输入输出数字电路共地端口；6PRX，调制数据的输入端，接单片机的 TXD 端口；7PGL，零点检测输入端口，接光耦的集电极端；8PT1，载波频率输出端口；9PTX，调制数据输出端，接单片机的 RXD 端口；10PMODE,载波数据模式控制端口；11PNC。4.2.2 KQ-130F 电力载波数据收发模块介绍 具有 FSK 调制解调技术的 KQ-330 模块已集成在 KQ-130 内部。KQ-330 的外围 电路如图 4-4 所示：KQ-300EF零点检测电路载波接收电路耦合电路载波功率放大电路其他接口220V电力线 图4-4 KQ-130模块内部组成 载波信号功率放大电路6如图 4-5 所示：如 4-5 图所示：KQ-330 模块被使能后，载波信号由 T1 端输出。通过三极管功率放大后，输出到 TI 端和耦合电路上。二极管 D6 重要是将输入端的电压钳制在一个合适的值内，从而使输出端更加稳定，减少失真。这样可以有效的减少发射的功率损耗，延长使用寿命。如图 4-5所示：图4-5 载波信号功率放大电路 滤波接受电路6如 4-6 图所示，R3 在接受发射信号时可以有效抵抗衰减；电感 L2、电容 C5 组成并联谐振回路，经典滤波是根据傅立叶分析和变换提出的一个工程概念。结合数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被当作是由无限个正弦波叠加而成。现代滤波技术重要有卡曼滤波、非线性滤波、维纳滤波等。在本电路中，谐振以中心频率为 120KHz 设计，为了和 KQ-330 模块的工作频率（120135KHZ）相相应，电容和电感完毕对有效信号的带通滤波；由电感、电阻、电容组成的选频回路可以有效提高载波接受灵敏度。根据并联谐振公式：LC21f (4-1)以 f=120KHz，选择电容为 C5=4700P，可以选择合适的电感值，L2=220uH。二极管 D9、D10 的作用是将接受信号的电位钳制在0.7V，IRX 被内部上拉后平移到 2.5V0.7V，以利于后续解决。图4-6 滤波接受电路 零点检测电路14：零点检测也叫过零检测。如图 4-7 所示，重要任务是：1.是完毕对电路的断点检测；2.是通过光电耦合来判断电路中有没有电压。KQ-330EF 的 GL 端口是专用来零点检测的。接在光电耦合的集电极上，产生一个上升沿或下降沿，与其他电路进行同步。相称于数字芯片里面的使能端。如图 4-7 所示：图 4-7 零点检测电路 载波耦合电路11：该电路的功能有两个，一个是将通过发送电路功率放大后的信号耦合到电力线上；另一个是从电力线上获取有效地载波信号。如图 4-8 所示：图4-8 载波耦合电路电路 通过对以上 KQ-330 模块的外围电路分析，集成后的 KQ-130 电力载波模块的电路图如 4-9 所示：图4-9 KQ-130模块电路图 KQ-130 引脚7正面从左至右为 1-9 脚：图4-10 KQ-130模块引脚图 1PAC：220V 交流电压的火线（或零线）；2PAC：220V 交流电压的零线（或火线）；1P 和 2P 那个是火线，那个