ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN LỰC ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THƠNG MINH Học Viên: Ngơ Quốc Việt Lớp: K12 - KTĐT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử HDKH: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà THÁI NGUYÊN - 2011 Luận văn hồn thành trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Cán HDKH: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Phản biện : TS Nguyễn Trung Thành Phản biện : PGS TS Nguyễn Hữu Công Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 2, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào 30 phút ngày 22 tháng 12 năm 2011 Có thể tìm hiển luận văn Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên -11 Tính cấp thiết đề tài Đề tài nghiên cứu hệ thống truyền thông qua đường dây tải điện Việt Nam nước giới quan tâm đầu tư nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ tận dụng sở sẵn có ngành điện mang lại lợi ích to lớn sau: Phương pháp truyền thông qua đường dây tải điện sử dụng sở hạ tầng sẵn có mạng lưới điện phải thực tần số tách biệt hẳn với tần số dòng điện phục vụ sản xuất sinh hoạt (f≠50Hz) để tránh tương tác với điện áp đường dây Vì trình truyền tải liệu có xảy tượng cộng hưởng tần số thấp nên tần số truyền phải đợc điều tần thành tần số cao (tần số RADIO) Phương pháp truyền tải liệu có tần số điều biến thành tần số Radio đường dây tải điện gọi phương pháp truyền thông đường dây tải điện PLC (Power Line Communication) Phương pháp truyền thông qua đường dây điện lực đưa vào áp dụng thực tế ta đưa vào nhiều loại tín hiệu thơng tin (với dải tần số khác nhau) Chính phương pháp truyền thơng qua đường dây điện lực truyền thơng tin: INTERNET, Nhà thông minh, điện thoại cố định, phục vụ đọc công tơ, đọc đồng hồ nước, đồng hồ khí ga từ xa… Xuất phát từ vấn đề trên, tác giả tập trung “Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống điều khiển nhà thông minh.” Ý nghĩa đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu đề tài đưa nguyên lý hoạt động Ngôi nhà thông minh sở tự động điều khiển, xử lý -2thông tin truyền thông tin xử lý đến người quản trị từ xa thông qua đường dây điện lực 2.2 Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu thành công đề tài nâng cao hiệu việc khai thác hệ thống thiết bị phục vụ sinh hoạt, chiếu sáng an ninh nhà thông minh Đồng thời làm giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng sống gia đình góp phần phát triển sở hạ tầng mạng viễn thông CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ PLC 1.1 Lịch sử phát triển cơng nghệ PLC 1.1.1 Khái niệm PLC PLC (Power Line Communication ) công nghệ sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện cho mục đích truyền tải thơng tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư Hệ thống truyền thông tin đường dây điện lực 1.1.2 Một số thành tựu đạt PLC 1.1.3 Phân loại công nghệ 1.1.3.1 Phân loại theo mức điện áp -31.1.3.2 Phân loại theo tốc độ bít 1.1.3.3 Phân loai theo phạm vi 1.1.3.4 Phân loại theo phương thức điều chế 1.2 Nguyên lý sơ đồ khối HTTT đường 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) -41.2.2.2 Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) 1.2.2.3 Khuếch đại phát thu (Signal Amplification) 1.2.2.4 Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) 1.3 Một số ứng dụng thực tiễn PLC 1.3.1 Ứng dụng HT quản lý, giám sát lưới điện đồng hồ 1.3.2 Truyền thông đường 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 1.4 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện 1.4.1 Sự giới hạn băng thông 1.4.2 Nhiễu đường cáp điện 1.4.2.1 Nhiễu tần số 50Hz 1.4.2.2 Nhiễu xung đột biến 1.4.2.3 Nhiễu xung tuần hoàn 1.4.2.4 Nhiễu xung kéo dài 1.4.2.5 Nhiễu chu kỳ khơng đồng 1.4.2.6 Nhiễu sóng radio 1.4.2.7 Nhiễu 1.4.3 Trở kháng đường truyền phối hợp trở kháng 1.4.4 Suy hao lưới điện 1.4.5 Hiện tượng sóng dừng 1.4.6 Sự phát xạ sóng điện từ khả gây nhiễu 1.4.7 Kết luận 1.5 Kết luận chương -5CHƯƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hưởng nhiễu suy hao tín hiệu đến chất lượng hệ thống PLC bao gồm phối ghép lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ… 2.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện Mơi trường truyền vấn đề quan trọng hệ thống thông tin Do chất sơ khai đường cáp điện khơng phải để truyền dẫn tín hiệu thơng tin khơng có đảm bảo hiệu thực truyền thông cáp điện nhìn từ quan điểm truyền dẫn tín hiệu Lưới điện môi trường vô phức tạp với nhiều loại tín hiệu khác tồn tín hiệu xoay chiều 220V – 50Hz, loại nhiễu dải tần, sóng vơ tuyến, xung điện áp xuất phát từ thiết bị điện… Ngồi ra, khơng thể phản ánh cách xác lượng mơi trường dây dẫn điện Mơ hình hệ thống truyền thơng tin số đường dây điện lực 2.1.1 Sự giới hạn băng thông 2.1.2 Nhiễu đường cáp điện 2.1.2.1 Nhiễu tần số 50Hz 2.1.2.2 Nhiễu xung đột biến 2.1.2.3 Nhiễu xung tuần hoàn -62.1.2.4 Nhiễu xung kéo dài 2.1.2.5 Nhiễu chu kỳ không đồng 2.1.2.6 Nhiễu sóng radio 2.1.2.7 Nhiễu 2.1.3 Trở kháng đường truyền phối hợp trở kháng 2.1.4 Suy hao lưới điện 2.1.5 Hiện tượng sóng dừng 2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ khả gây nhiễu 2.2 Ghép nối với lưới điện – xử lý tín hiệu 2.2.1 Mạch ghép tín hiệu 2.2.1.1 Mạch ghép dung kháng C 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 tương 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 phương thức mã hóa 2.3.1 Mã xoắn 2.3.2 Mã Reed – Solomon 2.4 Các phương 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 2.4.4 Điều chế dạng khoá dịch pha PSK khoá dịch pha vi phân DPSK 2.4.5 Các dạng điều chế sử dụng viễn thông điện lực 2.4.5.1.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu -72.4.5.1.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền liệu 2.5 Kỹ thuật trải phổ 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 2.5.2 Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 2.6 Công nghệ OFDM 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 (ISI) cách sử dụng khoảng bảo vệ 2.7 Các giao thức truyền thông qua đường dây điện lực 2.7.1 X10 2.7.2 Lonwork 2.7.3 CEBus 2.7.4 HomePlug 2.8 Kết luận chương CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC Trên sở kiến thức có từ chương chương ứng dụng vi điều khiển Pic thiết kế minh họa hệ thống điều khiển thiết bị Ngôi nhà thông minh thông qua đường dây điện lực 3.1 Giới thiệu nhà thông minh 3.1.1 Thế nhà thông minh ? -83.1.2 Các giải pháp điều khiển nhà thông minh  Điều khiển công nghệ PLC  Điều khiển thiết bị điện thoại  Điều khiển thông qua giao diện phím ấn thơng minh :  Điều khiển thông qua điều khiển từ xa :  Điều khiển thơng qua giao diện hình cảm ứng :  Điều khiển thông qua mạng Internet :  Điều khiển tự động thông qua cảm biến chế độ thời gian lập trình trước 3.1.3 Các yêu cầu thiết kế nhà thông minh  Tiết kiệm lượng  Cấu trúc mạng thông minh  Đẳng cấp kiến trúc  Ln ln an tồn 3.2 Thiết kế nhà thông minh dựa công nghê PLC 3.2.1 Giới thiệu 3.2.2 Các thiết bị sử dụng hệ thống 3.2.2.1 Modem truyền thông đường dây điện Sơ đồ khối TDA5051A -93.2.2.2 Bộ vi điều khiển PIC16F876 Gói PDIP 28 chân PIC16F876 3.2.2.3 Các cổng vào (I/O) 3.2.2.4 Bộ thu phát đồng bộ/ không đồng đa (USART) 3.2.3 Lựa chọn tốc độ Baud 3.2.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống Máy tính gửi lệnh điều khiển thiết bị tới modem PLC qua cổng truyền thơng nối tiếp người có yêu cầu điều khiển thiết bị Modem PLC điều chế liệu nhận gửi qua đường dây điện sử dụng điều chế ASK -103 Sau đó, kết cuối nhận, modem PLC nhận liệu giải điều chế từ tín hiệu điều chế ASK thành tín hiệu nối tiếp Bộ vi điều khiển nhận tín hiệu nối tiếp bật, tắt thiết bị dựa vào tín hiệu nhận 3.2.5 Phần mềm thi hành 3.2.5.1 Lập trình PIC16F876 3.2.5.2 Sơ đồ lập trình cho PIC16F876 3.2.6 Thiết kế phần cứng 3.2.6.1 Bộ vi điều khiển PIC16F876 3.2.6.2 Truyền thông nối tiếp Sơ đồ mạch truyền thông nối tiếp -11- 3.2.6.3 Mạch nạp PIC16F876 3.2.6.4 Modem Philips TDA5051A -12- 3.2.6.5 Mạch ghép 3.2.6.6 Khối cấp nguồn 3.2.6.7 Sơ đồ mạch tổng thể khối điều khiển -133.2.6.8 Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad) Trên sở mạch in thiết kế ta ta xây dựng modul PLC thực hình -14- 3.2.6.9 Mơ hình mạng quản lý thiết bị:  Mỗi thiết bị nhà gắn modul PLC – tương đương “Station” hệ thống  Toàn hệ thống giám sát modul “Controller” có khả kết nối máy tính, di động hay internet  Controller giao tiếp với người sử dụng thơng qua giao diện hình, bàn phím hay phần mềm điều khiển -15- Quy trình làm việc Controller: Giao tiếp người dùng Kiểm tra thiết bị Ra lệnh điều khiển 3.2.7 Các kết thu 3.2.7.1 Giao thức mạng 3.2.7.2 Khuôn dạng khung truyền dẫn 3.2.7.3 Giao diện đồ họa (GUI) 3.2.7.4 Nhận xét 3.3 Kết luận chương Chương thiết kế hệ thống đơn giản điều khiển thiết bị qua mạng điện hạ Giao thức đặc biệt thiết kế riêng cho loại ứng dụng Giao thức sử dụng truyền thông đa nút song công để tăng tối đa số thiết bị điều khiển từ máy tính chủ -16(server) xa Hệ thống điều khiển tổng số tối đa lên tới 255 thiết bị Nó thiết kế dựa cơng nghệ X-10 mà sử dụng việc ứng dụng nhà thông minh Trên sản phẩm thiết kế đầy đủ chức tiện dụng Sử dụng giao thức đơn giản, tập lệnh dễ sử dụng chi phí thực thấp Sử dụng modul chuẩn cắm vào ổ cắm chuẩn xoay chiều điều khiển thiết bị truyền liệu qua mạng điện lưới So với phương pháp khác, chi phí thực phương án thấp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] PGS.TS Nguyễn Hữu Công (2007), Nghiên cứu hệ thống đọc công tơ từ xa, Khoa điện tử - Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên [2] Lê Văn Doanh, Phạm Khắc Chương (1998), Kỹ Thuật Vi Điều Khiển, Nhà xuất khoa học & kỹ thuật, Hà Nội [3] Phạm Minh Hà (2008), Kỹ thuật mạch điện tử , Nhà xuất khoa học & kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Thanh Hà, Nguyễn Phương Huy (2010) , Ứng dụng kỹ thuật điều chế OFDM cho truyền thông đường dây điện lực hạ thế, Tạp chí khoa học công nghệ ĐH Thái nguyên, Trang 5257,tập 66 số , năm 2010 [5] Văn Thế Minh (2006), Họ vi điều khiển PIC 16F87xA , NXB Khoa học kỹ thuật -17[6] Tống Văn On (2000) ,Vi mạch tạo sóng , Nhà xuất giáo dục [7] Tống Văn On , Hoàng Đức Hải (2001), Họ vi điều khiển 8051, Nhà xuất lao động xã hội, 2001 [8] Dương Minh Trí (1997), Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật [9] Nhà xuất khoa học kỹ thuật ( 1993), Tra cứu Transistor Nhật Bản tập 1,2,3, Tài liệu dịch từ National Semiconductor Tiếng Anh [11] Thomas and Rosa (2001), The Analysis and Design of Linear Circuits, New York: John Wiley & Sons, Inc., 2001 [12] I H Cavdar(2009) A solution to remote detection of illegal electricity usage via power line communications IEEE 2009 (Available in the database IEEE Xplore) [13] Zhe CHEN, Mu WEI (2008), A Voltage Quality Detection Method, DRPT2008 6-9 April 2008 Nanjing China [14] Patrick A., Newbury J., Gargan S (1998), Two-way communications systems in the electricity supply industry IEEE transactions on Power Delivery Vol 13, No 1, January 1998 (Available in the database IEEE Xplore) [15] C A Duque (M-IEEE), P G Barbosa (M-IEEE) and D P Baptista (2005), Data Transmission through Power Lines Student Member, IEEE [16] Design Notes, “Home Automation Circuits.” (Online article), Available at: http://www.designnotes.com/CIRCUITS/FMintercom.htm [17] Smith Bellerby Limited(2007), Smart Metering ,The article is available on.the.website: -18http://www.smithbellerby.co.uk/newsarticle/smartmetering/769.html) [18] J.B Anderson (1998), "Digital Transmission Engineering", IEEE Press [19] M Arzberger, K Dostert, T Waldeck, M Zimmermann (1997), "Fundamental Properties of the Low Voltage Power Distribution Grid", Proc 1997 International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Essen, Germany [20] J.S Barnes (1998), "A Physical Multi-path Model for Power Distribution Network Prop- agation", Proc 1998 International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Tokyo, Japan, 1998 [21] Paul Brown (1997), "Directional Coupling of High Frequency Signals onto Power Net- works", Proc 1997 International Symposium on Power-line communications and its Applications", Essen, Germany [22] P A Brown (1998), "Some Key Factors Influencing Data Transmission Rates in the Power Line Environment when Utilising Carrier Frequencies above MHz",Proc 1998 International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Tokyo, Japan, 1998 [23] A.G Burr, D.M.W Reed, P.A Brown (1998), "HF Broadcast Interference on LV Mains Distribution Networks", Proc 1998 International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Tokyo, Japan, 1998 [24] www.How X10 Works - SmartHomeUSA_com  ... khiển nhà thông minh  Điều khiển công nghệ PLC  Điều khiển thiết bị điện thoại  Điều khiển thơng qua giao diện phím ấn thông minh :  Điều khiển thông qua điều khiển từ xa :  Điều khiển thông. .. tác giả tập trung ? ?Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống điều khiển nhà thông minh. ” Ý nghĩa đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu đề tài đưa nguyên... điều khiển Pic thiết kế minh họa hệ thống điều khiển thiết bị Ngôi nhà thông minh thông qua đường dây điện lực 3.1 Giới thiệu nhà thông minh 3.1.1 Thế nhà thông minh ? -83.1.2 Các giải pháp điều