tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƯỜNG dây điện lực ỨNG DỤNG CHO hệ THỐNG điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

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 THÔNG MINH Học Viên: Ngô Quốc Việt Lớp: K12 - KTĐ

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 THÔNG MINH

Học Viên: Ngô Quốc Việt

Lớp: K12 - KTĐT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

HDKH: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà

THÁI NGUYÊN - 2011 Luận văn được hoàn thành tại

Cán bộ HDKH: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà

Phản biện 1 : TS Nguyễn Trung Thành

Phản biện 2 : PGS TS Nguyễn Hữu Công

Luận văn đã được 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 7 giờ 30 phút ngày 22 tháng 12 năm 2011

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài nghiên cứu hệ thống truyền thông qua đường dây tải điện đã và đang được Việt Nam và các nước trên thế giới rất quan tâm và đầu tư nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ vì nó tận dụng được cơ

sở sẵn có của ngành điện và mang lại những lợi ích to lớn như sau:

Phương pháp truyền thông qua đường dây tải điện sử dụng

cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng lưới điện phải được thực hiện trên những tần số tách biệt hẳn với tần số của dòng điện phục vụ sản xuất

và sinh hoạt (f≠50Hz) để tránh tương tác với điện áp đường dây Vì trong quá trình truyền tải dữ liệu có xảy ra hiện tượng cộng hưởng ở tần số thấp nên tần số truyền phải đợc điều tần thành tần số cao (tần

số RADIO) Phương pháp truyền tải dữ liệu có tần số được điều biến thành tần số Radio trên đường dây tải điện được gọi là phương pháp truyền thông trên đường dây tải điện PLC (Power Line Communication)

Phương pháp truyền thông qua đường dây điện lực khi đưa vào áp dụng trong thực tế ta có thể đưa vào rất nhiều loại tín hiệu thông tin (với các dải tần số khác nhau) Chính vì vậy phương pháp truyền thông qua đường dây điện lực có thể truyền thông 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 các 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.”

2 Ý nghĩa của đề tài

2.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra được nguyên lý hoạt động của Ngôi nhà thông minh trên cơ sở tự động điều khiển, xử lý

thông tin và truyền thông tin được 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 của đề tài sẽ nâng cao hiệu quả trong việc khai thác hệ thống thiết bị phục vụ sinh hoạt, chiếu sáng

và an ninh trong một ngôi nhà thông minh Đồng thời làm giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cuộc sống trong mỗi gia đình góp phần phát triển cơ sở hạ tầng của mạng viễn thông

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC

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 lưới đường dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư

Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực

1.1.2 Một số thành tựu đạt được của 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

1.1.3.4 Phân loại theo phương thức điều chế

1.2 Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của HTTT trên đường cáp điện lực.

1.2.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống

1.2.2 Sơ đồ khối của 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 Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal

Amplification)

1.2.2.4 Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation)

1.3 Một số ứng dụng thực tiễn của PLC

1.3.1 Ứng dụng trong các HT quản lý, giám sát lưới điện và 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 trong 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 trên 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 không đồng bộ

1.4.2.6 Nhiễu sóng radio

1.4.2.7 Nhiễu nền

1.4.3 Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng

1.4.4 Suy hao trên lưới điện

1.4.5 Hiện tượng sóng dừng

1.4.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu

1.4.7 Kết luận

1.5 Kết luận chương.

CHƯƠNG 2

MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lượng của hệ thống PLC bao gồm phối ghép lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ…

2.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện

Môi trường truyền là một vấn đề quan trọng của bất kỳ hệ thống thông tin nào Do bản chất sơ khai của đường cáp điện không phải là để truyền dẫn tín hiệu thông tin cho nên không có một sự đảm bảo hiệu năng nào khi thực hiện truyền thông trên cáp điện nhìn từ quan điểm truyền dẫn tín hiệu Lưới điện là một môi trường vô cùng phức tạp với rất nhiều các loại tín hiệu khác nhau cùng tồn tại như tín hiệu xoay chiều 220V – 50Hz, các loại nhiễu trên mọi dải tần, các sóng vô tuyến, các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện… Ngoài ra, không thể phản ánh một cách chính xác năng lượng trong môi trường dây dẫn điện

Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực

2.1.1 Sự giới hạn băng thông

2.1.2 Nhiễu trên 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

2.1.2.4 Nhiễu xung kéo dài

2.1.2.5 Nhiễu chu kỳ không đồng bộ

2.1.2.6 Nhiễu sóng radio

2.1.2.7 Nhiễu nền

2.1.3 Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng 2.1.4 Suy hao trên lưới điện

2.1.5 Hiện tượng sóng dừng

2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng 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 và dung kháng L-C 2.2.1.3 Mạch phối ghép R-L-C phức tạp

2.2.2 Các bộ 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 về kỹ thuật điều chế trong 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 và khoá dịch pha vi phân DPSK

2.4.5 Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực

2.4.5.1.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu

2.4.5.1.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ 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 cơ bản của OFDM

2.6.2 Tính trực giao

2.6.3 Hệ thống OFDM

2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng 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 3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC

Trên cơ sở các kiến thức có được từ chương 1 và 2 chương 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 đường dây điện lực

3.1 Giới thiệu về nhà thông minh

3.1.1 Thế nào là nhà thông minh ?

3.1.2 Các giải pháp điều khiển nhà thông minh

 Điều khiển bằng công nghệ PLC

 Điều khiển thiết bị bằng điện thoại

 Điều khiển thông qua giao diện phím ấn thông minh :

 Điều khiển thông qua điều khiển từ xa :

 Điều khiển thông qua giao diện màn hình cảm ứng :

 Điều khiển thông qua mạng Internet :

 Điều khiển tự động thông qua cảm biến và các chế độ thời gian lập trình trước

3.1.3 Các yêu cầu trong thiết kế nhà thông minh

 Tiết kiệm năng lượng

 Cấu trúc mạng thông minh

 Đẳng cấp trong kiến trúc

 Luôn luôn an toàn

3.2 Thiết kế nhà thông minh dựa trên công nghê PLC

3.2.1 Giới thiệu

3.2.2 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống

3.2.2.1 Modem truyền thông trên đường dây điện

Sơ đồ khối của TDA5051A

3.2.2.2 Bộ vi điều khiển PIC16F876

Gói PDIP 28 chân của PIC16F876

3.2.2.3 Các cổng vào ra (I/O)

3.2.2.4 Bộ thu phát đồng bộ/ không đồng bộ đa năng (USART)

3.2.3 Lựa chọn tốc độ Baud

3.2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

1 Máy tính gửi lệnh điều khiển các thiết bị tới modem PLC qua cổng truyền thông nối tiếp khi con người có yêu cầu điều khiển các thiết bị

2 Modem PLC điều chế dữ liệu nhận được rồi gửi qua đường dây điện sử dụng điều chế ASK

3 Sau đó, ở kết cuối nhận, modem PLC nhận dữ liệu và giải điều chế từ tín hiệu được điều chế ASK thành tín hiệu nối tiếp

4 Bộ vi điều khiển nhận tín hiệu nối tiếp và bật, tắt thiết bị dựa vào tín hiệu nhận được

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 của truyền thông nối tiếp

3.2.6.3 Mạch nạp PIC16F876

3.2.6.4 Modem Philips TDA5051A

3.2.6.5 Mạch ghép

3.2.6.6 Khối cấp nguồn

3.2.6.7 Sơ đồ mạch tổng thể của khối điều khiển

3.2.6.8 Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad)

Trên cơ sở mạch in đã thiết kế ta có thể ta xây dựng modul PLC thực ở hình dưới

3.2.6.9 Mô hình mạng quản lý thiết bị:

 Mỗi thiết bị trong nhà được gắn một modul PLC – tương đương một “Station” trong hệ thống

 Toàn bộ hệ thống được giám sát bởi modul “Controller” có khả năng kết nối máy tính, di động hay internet

 Controller giao tiếp với người sử dụng thông qua giao diện màn hình, bàn phím hay phần mềm điều khiển

Quy trình làm việc của Controller:

3.2.7 Các kết quả thu được

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 này thiết kế một hệ thống đơn giản điều khiển thiết bị qua mạng điện hạ thế Giao thức đặc biệt được thiết kế riêng cho loại ứng dụng này Giao thức này sử dụng truyền thông đa nút song công

để tăng tối đa số thiết bị có thể điều khiển được từ một máy tính chủ

Giao tiếp

người dùng Kiểm tra

thiết bị

Ra lệnh điều khiển

(server) ở xa Hệ thống này có thể điều khiển tổng số tối đa lên tới

255 thiết bị Nó được thiết kế dựa trên công nghệ X-10 vì vậy mà có thể sử dụng được trong việc ứng dụng trong các ngôi nhà thông minh

Trên đây là một sản phẩm thiết kế đầy đủ chức năng và tiện dụng Sử dụng giao thức đơn giản, các tập lệnh dễ sử dụng và chi phí thực hiện thấp Sử dụng một modul chuẩn khi cắm vào ổ cắm chuẩn xoay chiều có thể điều khiển các thiết bị và truyền dữ liệu qua mạng điện lưới So với các phương pháp khác, chi phí thực hiện của phương án này rất 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 bản khoa học & kỹ thuật, Hà Nội.

[3] Phạm Minh Hà (2008), Kỹ thuật mạch điện tử , Nhà xuất bản

khoa học & kỹ thuật, Hà Nội

[4] Nguyễn Thanh Hà, Nguyễn Phương Huy (2010) , Ứng dụng kỹ

thuật điều chế OFDM cho truyền thông trên đường dây điện lực

hạ thế, Tạp chí khoa học công nghệ ĐH Thái nguyên, Trang

52-57,tập 66 số 4 , năm 2010

[5] Văn Thế Minh (2006), Họ vi điều khiển PIC 16F87xA , NXB

Khoa học kỹ thuật

[6] Tống Văn On (2000) ,Vi mạch và tạo sóng , Nhà xuất bản giáo

dục

[7] Tống Văn On , Hoàng Đức Hải (2001), Họ vi điều khiển 8051,

Nhà xuất bản lao động và xã hội, 2001

[8] Dương Minh Trí (1997), Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật

[9] Nhà xuất bản 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

http://www.smithbellerby.co.uk/newsarticle/smart-metering/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 1 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