Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống điều khiển Ngôi nhà thông minh

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 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC ỨNG DỤNG CHO Hệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 Học viên: Ngô Quốc Việt Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thanh Hà Thái Nguyên, năm 2011 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu, kết nêu luận văn trung thực công trình nghiên cứu riêng tôi, luận văn không giống hoàn toàn luận văn công trình có trƣớc Thái Nguyên, ngày 08 tháng 10 năm 2011 Tác giả luận văn Ngô Quốc Việt Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ii http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập tốt nghiệp, nhận đƣợc giúp đỡ tận tình thầy cô giáo môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Hà tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn thời gian thực đề tài, cảm ơn giúp đỡ gia đình, bạn bè đồng nghiệp thời gian qua Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế nhiều hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô nhƣ bạn bè, đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Ngô Quốc Việt iii LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta sống kỷ nguyên đại đƣợc thừa hƣởng thành tiến khoa học kỹ thuật Cùng với phát triển nghành khoa học kỹ thuật khác nhƣ điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông cung cấp ngày nhiều loại hình dịch vụ đa dạng, an toàn với chất lƣợng cao đáp ứng ngày tốt yêu cầu ngày cao thông tin liên lạc ngƣời Công nghệ điện tử viễn thông ngày không đại đa dạng mà có nhiều phƣơng án tối ƣu nhằm tiết kiệm chi phí nâng cao hiệu sử dụng Một công nghệ mà em muốn đề cập đến đề tài tốt nghiệp công nghệ truyền thông qua đƣờng dây điện lực PLC (Power Line Communication) Công nghệ PLC giúp giảm chi phí đƣờng dây nhờ tận dụng đƣờng dây truyền tải điện để truyền tín hiệu Trƣớc đó, ngƣời tận dụng đƣờng dây tải điện để làm ứng dụng đơn giản nhƣ truyền tín hiệu đo lƣờng, giám sát, điều khiển Với phát triển nhanh chóng công nghệ hỗ trợ lĩnh vực truyền thông công nghệ thông tin công nghệ PLC cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với truyền liệu trực tiếp tới ngƣời sử dụng Công nghệ truyền thông đƣờng dây điện lực PLC mở hƣớng phát triển lĩnh vực công nghệ thông tin truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao ngƣời thông tin phục vụ lao động sinh hoạt Đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Hà thầy cô giáo Khoa điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, 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 nội dung nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý sơ đồi khối hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ứng dụng PLC; Phân tích rõ đặc điểm kênh truyền điện lực với yếu tố nhiễu suy hao tác động sở kỹ thuật cải tiến PLC nhƣ phối ghép lƣới điện, mã hóa điều chế thông tin Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên iv http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai hệ thống PLC Phân tích yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hƣởng nhiễu suy hao tín hiệu đến chất lƣợng 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 sở kiến thức có đƣợc từ chƣơng chƣơng ứng dụng vi điều khiển Pic thiết kế minh họa hệ thống điều khiển thiết bị Ngôi nhà thông minh thông qua đƣờng dây điện lực Cuối phân tích đánh giá nhằm rút kết luận hƣớng phát triển đề tài Do đề tài mới, đƣợc hoàn thành thời gian ngắn điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, với lực thân hạn chế nên chƣa đề cập đƣợc hết vấn đề liên quan đến đề tài cách đầy đủ, sâu sắc tránh khỏi thiếu sót trình nghiên cứu, trình bày Kính mong thầy, cô giáo bạn quan tâm đến nội dung đề tài, góp ý kiến để có điều kiện tiếp thu phát triển đề tài nhƣ bổ xung thêm kiến thức cho thân đƣợc đầy đủ, đắn để luận văn đƣợc hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 08 tháng 10 năm 2011 Người thực Ngô Quốc Việt v MỤC LỤC Nội dung Trang Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật Lời cam đoan i ii Lời cảm ơn Lời nói đầu Mục lục iii iv vi Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ xi xii Các thuật ngữ viết tắt xv CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC 1.1.1 Khái niệm PLC 1.1.2 Một số thành tựu đạt đƣợc PLC 1.1.3 Phân loại công nghệ 1.1.3.1 Phân loại theo mức điện áp 1.1.3.2 Phân loại theo tốc độ bít 1.1.3.3 Phân loai theo phạm vi 1 4 1.1.3.4 Phân loại theo phƣơng thức điều chế 1.2 Nguyên lý sơ đồ khối HTTT đƣờng cáp điện lực 1.2.1 Nguyên lý hệ thống 1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống 1.2.2.1 Khối cách ly (Power Line Isolation) 1.2.2.2 Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) 1.2.2.3 Khối khuếch đại phát thu (Signal Amplification) 1.2.1.4 Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) 6 7 8 1.3 Một số ứng dụng thực tiễn PLC 1.3.1 Ứng dụng HT quản lý, giám sát lƣới điện đồng hồ 1.3.2 Truyền thông đƣờng dài tốc độ cao 1.3.3 Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC 1.3.4 Ứng dụng gia đình – Intelligent home 1.5 Kết luận chƣơng 9 10 10 11 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên vi http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC 2.1 Đặc tính kênh truyền đƣờng cáp điện 15 15 2.1.1 Sự giới hạn băng thông 2.1.2 Nhiễu đƣờng cáp điện 16 17 2.1.2.1 Nhiễu tần số 50Hz 2.1.2.2 Nhiễu xung đột biến 2.1.2.3 Nhiễu xung tuần hoàn 17 17 18 2.1.2.4 Nhiễu xung kéo dài 18 2.1.2.5 Nhiễu chu kỳ không đồng 19 2.1.2.6 Nhiễu sóng radio 2.1.2.7 Nhiễu 2.1.3 Trở kháng đƣờng truyền phối hợp trở kháng 2.1.4 Suy hao lƣới điện 2.1.5 Hiện tƣợng sóng dừng 2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ khả gây nhiễu 2.2 Ghép nối với lƣới điện – xử lý tín hiệu 2.2.1 Mạch ghép tín hiệu 2.2.1.1 Mạch ghép dung kháng C 19 20 20 20 21 22 23 23 23 2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng dung kháng L-C 2.2.1.3 Mạch phối ghép R-L-C phức tạp 2.2.2 Các lọc tƣơng tự 2.2.2.1 Mạch lọc RC 2.2.2.2 Mạch lọc LC 2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác 2.3 Các phƣơng thức mã hóa 2.3.1 Mã xoắn 25 26 26 26 27 28 28 29 2.3.2 Mã Reed – Solomon 2.4 Các phƣơng thức điều chế tín hiệu 2.4.1.Tổng quan kỹ thuật điều chế viễn thông 2.4.2.Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK 2.4.3.Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK 32 35 35 27 38 vii 2.4.4.Điều chế PSK khoá dịch pha vi phân DPSK 2.4.5.Các dạng điều chế sử dụng viễn thông điện lực 2.4.5.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu 2.4.5.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền liệu 2.5 Kỹ thuật trải phổ 39 39 39 39 41 2.5.1 Trải phổ dãy trực tiếp 2.5.1.1 Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK 2.5.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK 42 42 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 OFDM 2.6.2 Tính trực giao 2.6.3 Hệ thống OFDM 2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu cách sử dụng khoảng bảo vệ 2.7 Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực 2.7.1 X10 49 50 52 54 55 55 2.7.2.Lonwork 2.7.3 CEBus 56 57 2.7.4 HomePlug 2.8 Kết luận chƣơng 58 59 CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC 3.1 Giới thiệu nhà thông minh 3.1.1 Thế nhà thông minh ? 3.1.2 Các giải pháp điều khiển nhà thông minh 3.1.3 Các yêu cầu thiết kế nhà thông minh 3.2 Thiết kế nhà thông minh dựa công nghệ PLC 3.2.1 Giới thiệu 3.2.2 Các thiết bị sử dụng hệ thống 3.2.2.1 Modem truyền thông đƣờng dây điện 3.2.2.2 Bộ vi điều khiển PIC16F876 3.2.2.3 Các cổng vào Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên viii http://www.lrc-tnu.edu.vn 60 60 69 71 73 73 74 74 77 78 data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... 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 nội dung nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan công nghệ PLC – Trình... HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC ỨNG DỤNG CHO Hệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số:... KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC 3.1 Giới thiệu nhà thông minh 3.1.1 Thế nhà thông minh ? 3.1.2 Các giải pháp điều khiển nhà thông minh 3.1.3 Các yêu cầu thiết kế nhà