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 đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi,
luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trƣớc
đó.
Thái Nguyên, ngày 08 tháng 10 năm 2011
Tác giả luận văn

Ngô Quốc Việt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ii




LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận

tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng
Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn
PGS.TS Nguyễn Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực
hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời
gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

Ngô Quốc Việt

iii


LỜI NÓI ĐẦU
Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên hiện đại và đang đƣợc thừa hƣởng
những thành quả tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật. Cùng với sự phát triển của các
nghành khoa học kỹ thuật khác nhƣ điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông
đang cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn với chất
lƣợng cao đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu ngày một cao về thông tin liên lạc của
con ngƣời. Công nghệ điện tử viễn thông ngày nay không chỉ hiện đại và đa dạng
mà còn có nhiều phƣơng án tối ƣu nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sử
dụng.
Một trong những công nghệ mà em muốn đề cập đến trong đề tài tốt nghiệp
này đó là 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, con ngƣời đã có thể tận dụng đƣờng dây tải

điện để làm các ứng dụng đơn giản nhƣ truyền các tín hiệu đo lƣờng, giám sát, điều
khiển. Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ hỗ trợ trong lĩnh vực
truyền thông và công nghệ thông tin thì hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung
cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với truyền dữ liệu trực tiếp tới ngƣời sử dụng.
Công nghệ truyền thông trên đƣờng dây điện lực PLC mở ra hƣớng phát triển mới
trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu ngày một
cao của con ngƣời về thông tin phục vụ lao động và sinh hoạt.
Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Hà cùng
các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại
học Thái Nguyên, tôi 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 các nội dung chính nhƣ sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và
sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của
PLC; Phân tích rõ đặc điểm của kênh truyền điện lực với các yếu tố nhiễu và suy
hao tác động. trên cơ sở đó chỉ ra những kỹ thuật cải tiến trên PLC nhƣ phối ghép
lƣới điện, mã hóa và điều chế thông tin.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv




Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC
Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm
làm giảm ảnh hƣởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lƣợng của 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 cơ sở các kiến thức có đƣợc từ chƣơng 1 và 2 chƣơng 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 đƣờng dây điện lực.
Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hƣớng phát
triển của đề tài.
Do đây là một đề tài còn mới, đƣợc hoàn thành trong một thời gian ngắn và
điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, cùng với năng lực bản thân còn hạn chế nên có thể
chƣa đề cập đƣợc hết các vấn đề liên quan đến đề tài một cách đầy đủ, sâu sắc và
cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu, trình bày.
Kính mong các thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đến nội dung của đề tài, góp ý
kiến để tôi có điều kiện tiếp thu và phát triển đề tài cũng nhƣ bổ xung thêm kiến
thức cho bản thân đƣợc đầy đủ, đúng đắn và để luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 08 tháng 10 năm 2011
Người thực hiện

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 các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ

xi
xii

Các thuật ngữ viết tắt

xv
1

CHƢƠNG 1
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 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
4
4
5

1.1.3.4. Phân loại theo phƣơng thức điều chế
1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của HTTT trên đƣờng 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. Khối khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification)
1.2.1.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation)

5
6
6
7
7
8
8
8

1.3. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC
1.3.1. Ứng dụng trong các HT quản lý, giám sát lƣới điện và 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 trong gia đình – Intelligent home
1.5. Kết luận chƣơng

8
9
9
10
10
11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vi




CHƢƠNG 2
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 trên 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 bộ

19

2.1.2.6. Nhiễu sóng radio
2.1.2.7. Nhiễu nền
2.1.3. Trở kháng đƣờng truyền và sự phối hợp trở kháng
2.1.4. Suy hao trên lƣới điện
2.1.5. Hiện tƣợng sóng dừng
2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng 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 và dung kháng L-C
2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp
2.2.2. Các bộ 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 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

32
35
35
27
38

vii


2.4.4.Điều chế 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. Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu
2.4.5.2. Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ 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 cơ bản của OFDM
2.6.2. Tính trực giao
2.6.3. Hệ thống OFDM
2.6.4. Chống nhiễu liên ký hiệu bằng 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 3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC
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
3.1.3. Các yêu cầu trong thiết kế nhà thông minh
3.2. Thiết kế nhà thông minh dựa trên công nghệ 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 đƣờng dây điện
3.2.2.2. Bộ vi điều khiển PIC16F876
3.2.2.3. Các cổng vào ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

viii



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....