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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

******

BÁO CÁO TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CƠNG 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 được hoàn thành tại


trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

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.


-11. 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
thơng tin (với các dải tần số khác nhau). Chính vì vậy phương pháp

truyền thơng qua đường dây điện lực có thể truyền thơng tin:
INTERNET, Nhà thơng 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


-2thông 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 thơng.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CƠNG 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
thơng 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


-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 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)


-41.2.2.2. 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.


-5CHƯƠNG 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
Mơi 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 khơng
phải là để truyền dẫn tín hiệu thơng tin cho nên khơng 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 vơ tuyến, các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện…
Ngồi ra, khơng thể phản ánh một cách chính xác năng lượng trong

mơi trường dây dẫn điện.

Mơ hình hệ thống truyền thơng 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


-62.1.2.4. 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 thơng.
2.4.2 Điều chế dạng khố 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.


-72.4.5.1.2

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 ?


-83.1.2. Các giải pháp điều khiển nhà thông minh
 Điều khiển bằng công nghệ PLC
 Điều khiển thiết bị bằng điện thoại
 Điều khiển thơng qua giao diện phím ấn thông minh :
 Điều khiển thông qua điều khiển từ xa :
 Điều khiển thơng 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 ln an tồn
3.2. Thiết kế nhà thơng 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


-93.2.2.2. 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 thơng 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.


-103. 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


-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 của khối điều khiển


-133.2.6.8. 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.


-14-

3.2.6.9. Mơ 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 thơng qua giao diện
màn hình, bàn phím hay phần mềm điều khiển.


-15-

Quy trình làm việc của Controller:

Giao tiếp
người dùng

Kiểm tra
thiết bị

Ra lệnh
điều khiển

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


-16(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 cơng 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 5257,tập 66 số 4 , 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 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:
/>[17]. Smith Bellerby Limited(2007), Smart Metering ,The article is
available

on.the.website:


-18 />[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.