（光学专业论文）基于plc的嵌入式家居视频监控系统.pdf

r f 神 r i， h 。 一。j 学位论文独创性声明 f删ffiirrlfrliliillllp,fi n | | ph ih i i i | h i l l | rr ll u l ； l y 18 9 0 2 6 5 ； 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注 和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本 人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 亟马蔓岔 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：二牛虹 指导教师签名： 盔盔墨 签名日期：) 矽，年丫y j 形目 罩字 、 憎 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 目前，视频监控已经经历了三个发展阶段，有着几十年的发展历史。在这几十年里， 它被广泛应用于银行、军事基地等高安全级别场所，为这些场所的安全防护提供了有力 的保障。近年来，随着社会的发展，一方面，人们的安全意识不断提高；另一方面，人 们照顾家庭的时间越来越少。为了解决这个问题，设计一种在家居环境下应用的视频监 控系统就变得十分必要。针对家庭应用的特点，本文设计了一种基于p l c 的嵌入式家 居视频监控系统，实现了对家居环境的实时、远程视频监控。 本文的主要工作：深入研究视频监控系统的发展历史以及国内外研究现状，详细分 析了p l c 技术和嵌入式技术的原理及发展现状。在此基础上，结合家庭住宅的特点、 家庭装修的现状，采用了电力线载波( p l c ) 技术，设计实现了适用于家居环境的视频监 控系统。本文重点讨论了基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统的硬件结构及软件实现。 硬件部分，以a r m l l 处理器芯片s 3 c 6 4 1 0 为主，构建了系统的控制管理模块；以第三 代h o m e p l u g 集成芯片i n t 6 4 0 0 与i n t l 4 0 0 为主，构建了系统的电力载波模块，解决 了p l c 传输的带宽问题；采用了3 g 模块，实现了远程的视频监控。软件部分，在l i n u x 操作系统下，搭建了嵌入式系统软件开发平台和开发环境，包括建立交叉编译环境、配 置系统服务、内核的配置与编译及u 。b o o t 的移植；在数据传输方面，采用h o m e p l u g a v 技术规范，对视频数据信息调制、解调，根据相关通信协议传输数据。 实验结果表明，本文设计的系统实现了家居环境下视频监控的基本功能，具有使用 方便、即插即用的特点，有很强的实用价值。 关键词：视频监控；嵌入式系统；电力线载波通信 、0 ；喀 警 食 l i hj 气 嘈 、 l 基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统 e m b e d d e dh o m ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do np l c a b s t r a c t v i d e os u r v e i l l a n c eh a se n t e r e di n t ot h et h i r ds t a g e s ，a f t e rd e c a d e so fd e v e l o p m e n th i s t o r y i nt h e p a s tf e wd e c a d e s ，t h ev i d e os u r v e i l l a n c ew h i c hc a l lp r o v i d ep o w e r f u ls e c u r i t yg u a r a n t e e h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt om a n yh i 曲s e c u r i t yp l a c e s ，s u c ha sb a n k s ，m i l i t a r yb a s e s ，e t c i n r e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ym a k e sp e o p l ei m p r o v es a f e t ya w a r e n e s s ，h o w e v e r , a t t h es a m et i m ei tm a k e sp e o p l ed on o te n o u g ht i m et ot a k ec a r eo ft h ef a m i l y s o ，t h i sp a p e r d e s i g n sak i n do fe m b e d d e dh o m ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mw h i c hb a s e do np l c ，a n d r e a l i z e sr e m o t ev i d e om o n i t o r i n g mm a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st os t u d yt h eh i s t o r yo fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m s ， r e s e a r c hd e t a i l e dd e v e l o p m e n ts t a t u s ，a n a l y z et h ep l cp r i n c i p l e sa n ds t u d yt h ee m b e d d e d t e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，c o m b i n e 丽n lt h ef a m i l yc h a r a c t e r i s t i c sa n dh o m em o d i f i c a t i o n ，t h i s p a p e ru s e sp o w e rl i n ec a r r i e r ( p l c ) t e c h n o l o g y , d e s i g n sa n dr e a l i z e sv i d e os u r v e i l l a n c eu n d e r t h eh o m ee n v i r o n m e n t ，n l i sa r t i c l ef o c u s e so nt h eh a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g na n dt h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o no ft h eb a s e dp l ce m b e d d e dh o m ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m i nt h ep a r to f t h eh a r d w a r e ，t h i sp a p e ru s e st h es 3 c 6 4 1 0 ( a r m l 1 ) p r o c e s s o rc h i p ，b u i l d st h ec o n t r o la n d m a n a g e m e n tm o d u l eo ft h es y s t e m ，u s e st h et 1 1 i r dg e n e r a t i o ni n t 6 4 0 0a n di n t l 4 0 0h o m e p l u g - b a s e di c st ob u i l dt h ep o w e rl i n ec a r r i e rm o d u l eo ft h es y s t e mt os o l v et h ep r o b l e mo f t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hp l ca n du s e st h e3gm o d u l ew h i c hr e a l i z ear e m o t ev i d e o s u r v e i l l a n c e i nt h ep a r to ft h es o f t w a r e ，o nt h eg r o u n do fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，t h i sp a p e r s e t su pt h ee m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r ma n dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , m c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fc r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n t ，c o n f i g u r e ss y s t e ms e r v i c e s ， k e r n e lc o n f i g u r a t i o na n dc o m p i l a t i o na n dp o r t i n gu b o o t i nt h e p a r to f t h ed a t at r a n s m i s s i o n , t h i sp a p e ru s e st h eh o m e p l u ga vs p e c i f i c a t i o n , m o d u l a t e sa n dd e m o d u l a t e st h ev i d e od a t a , a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt ot r a n s m i td a t a e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，t h es y s t e md e s i g n e db yt h i sp a p e rh a sa c h i e v e dt h eb a s i c f u n c t i o n so fv i d e os u r v e i l l a n c eu n d e rt h eh o m ee n v i r o n m e n t ，a n dh a st h ef e a t u r e so f c o n v e n i e n tp l u g g i n ga n dp l a y i n g n es y s t e mh a sa s t r o n gp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ；e m b e d d e ds y s t e m ；p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n i i v 叶； 气 f 一 气 一， 辽宁师范大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论一l 1 1 课题背景及意义1 1 2 视频监控系统概述。l 1 3 视频监控系统的发展概况1 1 3 1 视频监控系统的发展历史，1 1 3 2 视频监控技术国内外的研究现状3 1 4 论文研究内容及结构安排5 2 本课题相关技术6 2 1p l c 概j 2 匿6 2 1 1 电力线载波通信技术概述6 2 1 2 电力线载波通信技术的发展8 2 1 3 扩展频谱通信一l0 2 2 嵌入式系统理论1 2 2 2 1 嵌入式系统概述12 2 2 2 嵌入式系统的发展概况1 4 2 2 3 嵌入式系统的硬件平台一1 6 2 2 4 嵌入式系统的软件平台一1 8 3 家居视频监控系统的硬件设计2 2 3 1 系统硬件的总体设计2 2 3 2 控制管理模块2 2 3 3 数据传输模块一2 7 3 3 1 电力载波模块设计2 7 3 3 23 g 模块3 0 3 4 视频采集模块设计，3 4 4 家居视频监控系统软件设计3 5 4 1 系统软件总体设计方案3 5 4 2 控制管理模块软件设计3 7 4 2 1 嵌入式开发环境的创建一3 7 4 2 2 建立交叉编译环境4 8 基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统 4 2 3 配置系统服务。4 9 4 2 4l i n u x 内核的配置与编译4 9 4 2 5u b o o t 移植4 9 4 3 电力载波模块软件设计5 0 结论5 3 参考文献5 4 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 6 致谢5 7 辽宁师范大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 随着社会经济的飞速发展、生活节奏的提高，人们不得不用更多的时间来学习、工 作，因而照顾家庭的时间变得越来越少，远程照顾老人、小孩和家庭宠物等事项就成为 人们生活中的一种迫切需要。因此，专门为家庭设计适合个人使用的家居视频监控系统 就变得十分必要。有了家居视频监控系统，人们就可以在繁忙工作的同时，通过家居视 频监控系统远程了解自己家庭概况，并对所发生的事件进行实时的、及时的分析与判断。 目前，伴随着最新的物联网技术的飞速发展，家庭视频监控系统正以其直观性、实 时性、可靠性等优点成为智能家居网络系统中信息交流与广泛管理的必备的、重要的组 成部分。从家庭安防的角度看，家庭视频监控系统也是突发事件报警和信息记录的有效 手段。因此，视频监控在家居环境中的应用受到了越来越广泛的关注，显示了巨大的应 用潜力。 ， 1 2 视频监控系统概述 视频监控系统是集数字视频、图像处理技术、网络技术和通信技术于一体的综合性 系统。 由于人们安防意识的不断增强，越来越多的领域离不开视频监控系统，如：银行、 军事基地、超市、停车场等。只有知道场所内发生的事件，才能够保障场所的安全和实 现及时地管理。所以，人们利用视频监控系统来监视该场景，以便对场所内发生的异常 事件，做出及时适当地判断及行动【l 】o 1 3 视频监控系统的发展概况 多年来，视频监控系统一直是国内外研究的前沿课题，国内外的专家学者、甚至是 一些很有实力的公司都在积极地开展相关的研究。伴随着图像的智能分析技术、网络技 术、芯片技术和各种信息传输技术的迅猛发展，视频监控系统将进入全面数字化监控时 代，即视频采集、存储的数字化，数据传输的网络化，产品结构的模块化。 1 3 1 视频监控系统的发展历史 根据图像处理、通信等技术的发展，视频监控系统可以分为以下三个阶段 2 - 4 ： 第一阶段：模拟视频监控系统 基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统 模拟视频监控系统主要由摄像机、录像机、视频切换矩阵、监控器、视频线及控制 线缆等组成【5 1 。采用的是通过电缆线( 即闭路电视方式) 传输模拟信号，然后集中监控和 录像的方案。这种基于模拟信号传输的视频监控系统从摄像机，电视机出现的那天起就 已诞生。它曾被广泛应用于安保，生产管理等场合。 模拟视频监控系统是利用视频电缆线以模拟方式传输，它的不足之处是： 1 ) 模拟信号需要占用专用的通讯线路。 2 ) 模拟信号的传输距离是有限的，导致模拟视频监控系统的监控范围有限。 3 ) 模拟信号易受干扰，使得模拟视频监控系统的监控画面质量不高。 4 ) 没有很好的用户操作管理界面，非专业的人员根本无法操作、维护。 由于以上不足，传统的模拟视频监控系统已经远远不能满足用户越来越高的视频监 控需求。 第二阶段：基于p c 机的数字视频监控系统 随着计算机处理能力的增强和存储容量的提高，视频监控进入了数字化的网络时 代。而互联网络带宽的增加，视频压缩技术的出现和发展，也为基于p c 机的数字视频 监控创造了有利条件。 基于p c 机的数字视频监控系统主要由p c 机、摄像头、网络通信设备、视频压缩 卡及视频解压卡等组成【5 1 。工作时，先由摄像头采集视频信息，将采集到的模拟视频信 号转化为数字视频信号后，利用压缩卡对数字视频信号进行压缩处理，再通过网络将压 缩后的数据传输给视频监控终端的p c 机，监控终端p c 机利用视频解压卡对数据进行 解压后，就能够重现监控区域的图像。 基于p c 机的数字视频监控系统与模拟视频监控系统相比，具有传送距离更远，图 像质量更好，数据保存成本低等特点。因此基于p c 机的视频监控系统出现后，迅速占 据了视频监控系统的主要市场并逐步取代了模拟监控系统。 基于p c 机的视频监控系统的不足之处是： 1 ) 其视频数据的压缩与解压缩都需要基于p c 机的视频采集卡，这就使得视频信号 的采集、压缩与通信较为复杂。 2 ) 用于视频监控的p c 机也需要专人管理，没有自动报警的功能。 3 ) 监控网络构建时需要进行网络布线，灵活性和机动性差，仅适合于银行、超市 等特定场所。 第三阶段：基于嵌入式的数字视频监控系统 随着超大规模集成电路技术和半导体工艺技术的发展，嵌入式系统得到了飞速的发 展。基于嵌入式的数字视频监控系统应运而生，并以其自身优势受到了学术界和产业界 孝 飞 l j 辽宁师范大学硕士学位论文 的高度重视。 基于嵌入式的数字视频视频监控系统主要由图像采集、处理芯片，各种嵌入式处理 器，数据传输等模块组成。其工作过程是：在需要监控的现场，安装若干个摄像头与数 据设备，采集到的视频信息通过传输网路传输到嵌入式处理器构成的视频服务器上，视 频服务器将这些视频信息传送到一个或多个监控中心，供授权用户查看或者浏览，用户 可以根据需要通过外部设备进行控制。 基于嵌入式的数字视频监控系统突破了模拟视频监控系统中模拟信号在传输距离 上的限制，也解决了监控画面的高质量问题。与基于p c 机的视频监控系统相比，基于 嵌入式的数字视频监控系统的主控系统由于采用了嵌入式设备及嵌入式实时操作系统， 其稳定性更高、可靠性更强、安装更加方便，与此同时，该系统还支持网络视频传输和 网络管理，从而使它的监控范围达到了前所未有的广度。 基于嵌入式的数字视频监控系统除了具备视频压缩、传输、存储和播放等基本功能 之外，还能够对采集到的视频数据进行处理分析，实现自动报警、智能存储等高级功能。 它的智能化程度实现了模拟监控无法实现的真正意义上的“监控功能。因此，基于嵌 入式的数字视频监控系统以其高可靠性、低成本、低功耗、环境适应性强、使用方便等 特点，成为家庭视频监控系统的首选方案。 1 3 2 视频监控技术国内外的研究现状 在国外，早在1 9 9 7 年美国国防部高级研究项目署就成立了以卡内基梅隆大学为首 的，联合了美国十几家高等院校和研究机构的视频监控重大项目v s a m ( v i s u a l s u r v e i l l a n c ea n dm o n i t o r i n g ) 】的研究组，主要研究用于战场及普通民用场景的关于视频 监控系统的自动视频理解技术。从1 9 9 8 年起，i e e e 协会开始资助国际视觉监控的系列 会议，至今己经在美国、印度、爱尔兰等地召开了多届，在图像的智能分析等方面有了 较大的成果。2 0 0 0 年，重大项目h i d 计划，研究开发出多种模式下的视频监控技术， 实现了远距离情况下对人的检测、分类和识别，增强了在各种公共场合避免受到恐怖袭 击的保护能力。国际著名的权威期刊i n t e m a t i o n a lj o u r n a lo fc o m p u t e rv i s i o n ) ) 、( i e e e t r a n s o np a ：t t e ma n a l y s i sa n dm a c h i n ei n t e l l i g e n c e ) ) 分别在2 0 0 0 年的6 月、8 月出版了 有关于视频监控算法的专题【7 1 。2 0 0 4 年由欧盟出资启动，英国的雷丁大学与法国的研究 机构联合组建了机场智能视频监控项目组，他们设计的视频监控系统实现了对飞机场停 机坪进行目标跟踪和异常行为检测、报警等功能，为飞机场的安保这一重点安全课题提 供了智能化的解决方案。2 0 0 6 年，h e n gb r i a n 提出了一种利用多重描述符编码的软件编 程方法，减少了网络传输过程中数据包的丢失，优化了端到端的网络视频图像【引。目前， 基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统 国际上一些权威期刊如i j c v 、c v i u 、p a m i 和重要的学术会议如i c c v 、c v p r 、 e c c v i w v s 等已经将人的运动分析研究作为主题研究内容之一，而i b m 、m i c r o s o f t 等 这些国际大型公司也将基于视觉的手势识别接口应用于商业领域p j 。 在国内，视频监控业务主要为行业应用提供保障安全的方案，如公安、交通、金融 交易场所、楼宇等，行业用户是国内视频监控市场的主要增长点。虽然国内对视频监控 系统的研究起步较晚，技术基础相对薄弱，但伴随着我国经济的快速发展，以及人们安 全保护意识的提高，关于视频监控方面的研究也正蓬勃发展起来。 2 0 0 2 年5 月，在北京召开了第一届“全国智能视觉监控学术会议 ，会议期间对图 象序列的分析；目标的定位、识别和跟踪；高层语义的理解；系统的构建与集成；网络 环境下的视频监控等方面进行了深入的探讨【1 0 1 。此后，国内的智能视觉监控学术会议每 年召开一次，为从事视频监控领域的科研人员提供了更多的交流机会。近些年，许多高 校也参与到视频监控技术的研究中，如：清华大学的数字视频与智能视频监控实验室， 浙江大学的智能交通研发中心等。此外，中国科学院下属的自动化研究所的模式识别国 家重点实验室，成立了视觉监控领域的研究组，从事智能视频监控方面的研究。其目标 是实现根据需要对动态场景进行集成、分析与演示。并且已经在快速准确的运动检测； 实时性、鲁棒性的基于三维模型的交通场景视觉监控；基于移动摄像机的视觉监控技术 的智能轮椅视觉导航系统等领域取得了许多科研成果【l 卜删。 国内对视频监控在网络传输方面的研究，2 0 0 6 年由林小龙等提出的p 2 p 技术，不 但提高了网络资源的利用率，并且在消除服务器瓶颈等方面起到了显著作用【1 3 】；陈耀武、 张永强等对采用流媒体格式传送视频图像数据的研究，使得视频监控系统得到了更好的 视频传输、播放效果【1 4 - 1 5 】。在智能检测方面，科研人员把最先应用在军事制导中的运动 目标检测、跟踪技术引入到视频监控系统中，研发出新一代的智能化的视频监控系统。 智能化的视频监控系统克服了传统视频监控系统的需要专人监控、需要监控人员时刻根 据监控场景的情况控制云台以跟踪运动目标等缺陷。它本身就具有简单的自主监控能 力：能够自主地对监控场景内的运动目标进行检测和跟踪。 然而，目前国内关于视频监控方面的研究，主要的应用领域还是在银行、超市、机 场以及其它公共场所等。由于住宅的结构特点、家居装修的实际现状，以及家居网络中 信息传输中的实际问题，因而在家庭视频监控方面的研究和应用还比较少。随着最新的 物联网技术、智能家居以及各项相关新技术的日益发展与成熟，研究一种基于数字的、 远程的、智能的适用于家庭的视频监控系统变得更加有实际意义和应用价值。 辽宁师范大学硕士学位论文 1 4 论文研究内容及结构安排 本课题以家庭的视频监控为应用背景，在分析了视频监控系统概况的基础上，针对 目前家居的实际现状、家庭网络信息传输中的实际问题，应用了p l c 通讯技术，搭建 了基于a r m 的嵌入式系统硬件开发平台及软件开发环境，提出了一种基于p l c 的嵌入 式家居视频监控系统的设计与实现。 论文结构安排如下： 第一章简单的介绍了课题的研究背景及意义，视频监控系统的发展历史、国内外技 术研究现状以及未来的发展趋势。 第二章介绍课题的相关技术。主要是详细叙述电力线载波通讯技术、嵌入式系统的 软硬件平台。 第三章基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统的硬件设计。重点介绍系统的总体设 计与分析，控制管理模块、数据传输模块及视频采集模块的硬件设计。 第四章基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统的软件设计。主要介绍在l i n u x 操作系 统下，搭建嵌入式系统软件开发平台和开发环境，包括建立交叉编译环境、配置系统服 务、内核的配置与编译及u b o o t 的移植。以及电力载波模块部分的软件流程。 第五章总结与展望。总结本文所提出的家居视频监控系统，并提出改进的方向，为 系统的完善做好准备。 基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统 2 本课题相关技术 2 1p l c 概述 p l c 即电力线载波通信，是英文p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n 的简称。电力线载波通 信是指利用现有的电力线，通过载波的方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，是 电力系统特有的通信方式【1 6 d7 1 。它的最大特点是不需要重新架设网络，只要有电力线， 就能够进行数据传送。 在国内，电力线载波通信的应用在水表、煤气表等抄表领域的发展已经比较成熟 1 8 - 2 0 1 。但基于p l c 的视频监控系统的实际应用并不普遍，绝大部分的视频监控系统仍 然是通过有线的局域网络或无线的局域网络进行传输。虽然目前的家居视频监控系统 中，数据传送网络大部分是基于无线方式的，但由于家庭环境“墙多 的特殊性，无线 传输的质量会受到一定的影响，尤其是在别墅式、跃层式的住宅中，受到的影响会更加 严重。而架设专用的有线网络，在某些场合，由于受到地理环境和工作内容的限制，不 但会增加成本，甚至有时根本无法实现。而电力载波通信是利用现有的配电网络，不需 要额外布线，这样不但降低了成本，且由于电力线网络覆盖的范围广，它的应用范围是 其它任何网络都无法比拟的。电力载波通信模块是“即插即用的，不需要繁琐的拨号， 只要连接到家里的任何一个电源插座上，就可以实现语音、视频数据的传输。电力载波 通信凭借这些优势，必将成为家居视频监控数据传输的最佳选择方案之一。 2 1 1 电力线载波通信技术概述 电力线载波通信的实现 电力载波通信的实现是通过载波通信设备、信号耦合网络将所需的信号频率变换到 适合线路传输的较高的频率上，经电力线网络传送给接收端，接收端接收到变换后的信 号后再经过反变换的方式恢复成原来的所采集到的信号。 电力线载波通信的实现原理【2 1 1 ，如图2 1 所示： 辽宁师范大学硕士学位论文 载波信号电力线信号载波 通信 耦合网络耦合通信 设备网络网络设备 图2 1电力线载波通信的实现原理 f i g 2 1p r i n c i p l e so fp o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n 电力线载波通信的传输方式 为了实现数据的双向通信，电力线载波通信系统通常采用双频带二线制的传输方式 或单频带四线制的传输方式。双频带二线制的传输是在同一对线路上，在两个传输方向 采用两个不同的传输频带，用来区分接收和发送两种不同信号，这种传输制式还可以用 于架空明线中。单频带四线制的传输方式是在外线用两对导线，将接收和发送两个方向 传输的信号分开，这种传输制式主要用在同轴电缆载波、对称电缆和模拟微波通信系统。 电力载波通信网络的构成 电力载波通信网络是由载波终端设备、辅助设备以及输电线路等组成【2 2 】。其中载波 终端设备是指由发送信号支路、差接系统、自动电平调节系统、自动交换系统和接收信 号支路构成的能完成通信功能的基本设备。辅助设备是指电力载波终端设备与高、低压 线路相连接时所必须使用的一些设备，它由耦合电容器、结合滤波器、高频阻波器、接 地开关以及高频电线等组成。耦合电容器可以阻止工频电流进入载波设备，允许高频载 波信号传输到高压输电线；结合滤波器与耦合电容器一起构成高频带通滤波器；高频阻 波器能够阻止高频信号进入变电站；接地开关是在检修中将耦合电容器低压端子接地； 高频电线将载波终端设备与结合滤波器连接在一起。 电力线载波通信网络结构，如图2 2 所示： 基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统 图2 2电力线载波通信网络结构 f i g 2 2 p l cn e t w o r ks t r u c t u r e 2 1 2 电力线载波通信技术的发展 从上世纪2 0 年代起，人们就已经开始研究如何利用电力线载波进行数据通信，至 今已有近百年的历史。 根据电力线载波通信技术的发展过程，可将其划分为模拟通信、数字通信两个阶段， 如表2 1 所示： 表2 1电力线载波通信技术的发展阶段 阶段划分模拟通信阶段( 1 9 2 0 - 1 9 9 0 )数字通信阶段( 1 9 9 1 一至今) 信号方式模拟 数字 通信体制非扩频载波窄带通信、扩频通信 传输介质高压传输网中、低压配电网 传输速率 5 0 2 4 0 0b p s1 k 一1 mb p s 通信方式点对点点对点及网络 典型应用运动及调度载波电话自动抄表及视频监控等 由上表可知，电力线载波通信技术在早期采用的是利用高压电力线载波，在点对点 通信的高压电力线的两端装上阻波器。1 9 2 8 年，德国最先研发出基于电力线载波的通信 一8 一 辽宁师范大学硕士学位论文 技术团】。在此基础上，德国的西门子公司在1 9 3 0 年研发出被称为“t e l e n e r g ”的多频处 理技术；k e g 公司在1 9 3 5 年研发出对电网电压进行调幅及信息传输时采用时分多路复 用的“f r a n s k o o m a n d o 方法；此后，具有时分多路复用的单频方式也研发成功。但是， 模拟通信阶段的电力线载波系统传送的信号是一个模拟的波形，这就要求接收机能够高 保真地重现这个模拟的波形信号。虽然模拟通信系统的信道信号频谱较窄，信道的利用 率高，但是其抗干扰能力差，很难保证能够高保真地重现信号。 九十年代以来，伴随着集成电路技术水平的不断提高、通信技术的迅速发展，电力 线载波通信技术由此告别了模拟通信阶段，进入了数字通信阶段。 数字通信阶段又可根据通信方式的不同细分为以下两个阶段： 第一阶段：普通数字通信 随着通信技术的发展，最先应用的是基于窄带通信方式( a s k 、f s k 和p s k 等) 的 数字通信系统。数字通信系统传递的信号是离散的脉冲，这就要求接收端能够准确的判 断出发送的离散脉冲的离散状态，只要保证接收到的离散脉冲的波形，它的失真程度不 引起错误的判决，就能够保证通信的质量。因此，数字通信系统的抗干扰能力强、可靠 性强。 第二阶段：基于扩展频谱技术的数字通信 目前，在电力线载波通信中应用最广的是扩频通信技术。扩展频谱通信技术是利用 伪随机码把基带信号的频谱进行扩展，从而在发送端形成较高带宽的低功率谱密度信 号。在接收端把接收到的较高带宽的扩频信号恢复成原来的基带信号。扩频通信系统的 信号能够很好地克服电力线上的噪声和干扰。 模拟通信、窄带通信及扩频通信的性能有很大的不同，这三种电力线载波的通信方 式性能的比较，如表2 2 所示： 表2 2 三种电力线载波通信方式比较 通信方式传输速率 传输距离抗干扰性 占用频带 保密性实现难度 模拟通信高一般弱窄一般一般 窄带通信较高远一般宽 一般高 扩频通信高很远强很宽强很高 基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统 2 1 3 扩展频谱通信 扩频通信概述 近年来，随着配电网络结构的不断扩展和人们对电力线载波通信质量要求的不断提 高，传统的载波通信技术已经不能满足设计的需求。而扩频通信技术的出现解决了这个 问题。扩频通信技术即扩展频谱通信技术( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，它克服了电 力线的大衰减、强干扰、多噪音等缺陷，特别适和应用在家庭电力线路这样复杂的通信 环境。 扩频通信技术是一种数字传输方式，它传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的 带宽。简单地讲，扩频技术就是在发送端，把等待发送的数字信号，利用扩频码发生器 产生的扩频码序列进行调制，这样就实现了信号带宽的展宽；通过电力线，在接收端使 用相同的扩码序列对扩频信号进行相关的解调，还原出原始信号 2 4 。2 5 1 。其通信原理，如 图2 3 所示： 图2 3 扩频通信原理图 f i g 2 3p r i n c i p l e so fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，p 由扩频通信的原理可知，利用扩频技术的通信系统，在信息的发送端和接收端必须 使用完全相同的扩频码序列对信息进行调制解调，且扩频通信在负信噪比的环境下仍能 正常的工作，使得整个通信过程更加安全，保密性更好，可靠性更高【2 6 j 。 扩频通信技术的理论基础 扩频通信技术的理论基础是根据香农( c e s h a n n o n ) 在信息论研究中总结出的信道 容量公式，即著名的香农公式1 2 7 - 2 8 ： ， 辽宁师范大学硕士学位论文 c = 形灿g ：o + ) ( 2 1 ) 式中：哺息的传输速率即信道容量，单位为b i f f s ； w 信号的频带宽度，单位为h z ； s 一有用信号的平均功率，单位为w ； n 一噪声的平均功率，单位为w 。 由香农公式可以看出：想要提高信息的传输速率c ，可以加大信号的频带宽度w 或 提高信噪比s n 来实现。如果想要保持信息传输速率c 不变，可以加大信号频带宽度w 同时降低信噪比s n 来实现。也就是说，如果增加了信号频带宽度w ，就可以降低对信 噪比s n 的要求。只要能扩展足够宽的信号带宽w ，即使是有用信号功率s 接近噪声功 率n ，甚至淹没在噪声功率n 之下，信息传输速率c 仍能保持不变，通信系统也能够正 常的进行通信。扩频通信技术就是利用了这个特点，用扩展频谱的方法弥补信噪比通常 都不是很理想的不足，在强干扰条件下保证可靠、安全地通信，这就是扩频通信的基本 思想和理论依据i 别。 扩频通信的几种工作方式 扩频通信按其扩展频谱方式的不同可以分为 3 0 - 3 1 1 ：直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) i 作方式、跳变频率( f r e q u e n c yh o p p i n g ) i 作方式、跳变时间( t i m e h o p p i n g ) i 作方式、宽带线性调频( c m r pm o d u l a t i o n ) 工作方式、正交频分复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 工作方式等。 直接序列扩频方式是直接利用具有高码率的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱； 在接收端则采用完全相同的扩频码序列解调，从而把扩展频谱后的信号还原成原始的信 掣3 2 l 。由于在其他条件相同得情况下，p s k 的误码率最小，所以直接序列扩频方式通常 采用p s k 调制，而较少使用f s k 和a s k 调制。 跳变频率方式是将数字信号的数据信息与二进制伪随机序列码相加后，去离散地控 制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机序列码的变化而跳变，受伪 随机码发生器控制。扩展后的频带由整个频率合成器生成的最小跳频间隔和频率间隔数 决定。跳频的速度有高、中、低速之分，速度的高低是由信号的种类、数据速率、纠错 方法等共同决定的。跳变频率方式可以随机的选取几千个离散频率。每次扩频都是根据 数据信息和伪随机码序列的状态加权后得到的随机数来选取频率。 跳变时间方式是将数据信息送入由伪随机码控制的脉冲调制发射器，采用窄的时间 片发送出携带信息数据的射频信号。因此，相对来说，信号的频谱也就得以展宽。这样， 只需收发两端在时间上严格同步，就能正确恢复出原始数据。这种工作方式允许在随机 基于p l c 的嵌入式家居视频监控系统 时分多址通信中，发射机和接收机使用同一个天线。在实际应用中，由于简单的跳变时 间方式的抗干扰性不强，所以很少单独使用，一般与其它方式混合构成系统。 宽带线性调频方式是指其发射的射频脉冲信号在频率变化的周期内，其载频的频率 在较宽的频带内作线性变化，信号的频带也随之展宽。这种工作方式在过去一直作为雷 达测距使用。近些年，人们为了克服多普勒效应对通信的影响，已将这种方式作为通信 系统的基本工作方式。 以上4 种扩频方式是最基本的工作方式。其中，最常用的是直接序扩频和跳变频率 两种方式。在实际应用的通信系统中，虽然混合方式在技术上比较复杂，实现起来也比 较困难，但采用单一的扩频工作方式一般不能获得所希望的性能。因此，为了获得采用 一种方式所不具备的性能，常常采用两种或多种工作方式的混合方式。如将直接序列扩 频方式和跳变频率方式相结合，实现的一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频 系统。采用这种混合方式比单独使用任何一种，可获得更宽的频谱扩展和更大的处理增 益。 o f d m 即正交分频复用技术，是一种多载波调制方式。它的原理：在发送端， 它先将需要传输的高速数据信号进行转换，变成并行的低速子数据流；传送时， 将低速子数据流调制到分割好的若干正交子信道上；在接收端，将正交信号采用 相关技术分开。这样不仅减少了子信道间、符号间的相互干扰；由于子信号相互 重叠的频谱，又得到了很高的频谱效率【3 3 1 。基于o f d m 的电力载波模块与其它调 制方式比，不但带宽利用率高、抗干扰能力强，且它的结构简单、成本低廉，最 大限度的提高了系统的性能。近年来，它以其自身优势，一跃成为家居环境下， 电力线载波通信的最佳方案【3 。 2 2 嵌入式系统理论 随着社会的日益信息化，嵌入式系统对我们来说并不陌生，它早己出现并深入我们 的生活。无论你身处何地，你都可能拥有一款甚至几款基于嵌入式技术的电子产品，小 到m p 3 ，大到智能家电、车载电子设备。随着科技的发展，基于嵌入式系统的产品不断 的推陈出新，人们的日常工作、生活也越来越离不开嵌入式系统产品。例如：打印机、 p d a 、智能手机等都是基于嵌入式技术的产品在生活中的应用。目前，嵌入式技术是最 热门的技术之一，已成为通信和消费产品的共同发展方向，吸引了大批的优秀人才投入 其中。 2 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统的定义 f 毋 辽宁师范大学硕士学位论文 在2 0 世纪7 0 年代，随着微处理器的出现，小型计算机迅速占领了计算机市场。与 以前的大型的计算机相比，它的体积小，价格便宜，性能更高。与此同时，基于微处理 器的小型机的智能化水平受到了控制专业人士的关注，他们将微型机嵌入到一个对象体 系中，从而实现对象体系的智能化控制。这样一来，计算机便失去了原来的形态和通用 的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，电气和电子工程师协会给出了嵌入 式系统的定义：它是一种用于控制、监视或者辅助机器和设备运行的装置。而目前国内 一个被普遍认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁