（信号与信息处理专业论文）基于低压电力线通信的智能家居中的安防系统设计.pdf

摘要近年来，随着网络技术和通信技术的迅速发展，人们不仅对家居的自动化和信息化程度要求越来越高，而且对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性提出了更高的要求。这就需要建立完善的智能家居网络系统，并构建智能化小区，从而真正满足家庭自动化和信息化的要求，有效提高家庭生活质量。本文在已有技术的基础上，设计了基于电力线通信的家居安防系统。由于电力线网络的极大普及率，成为智能家居网络的首选通信网络。但因电力线通信的环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰与时变性大等特点，通过分析比较几种电力线通信芯片，采用具有扩频技术的s c l l 2 8 。设计了信号耦合、滤波、前级放大、功率放大等外围电路。设计的电力线通信模块包含s c l l 2 8 与其外围电路及控制芯片a t 8 9 c 5 1 ，a t 8 9 c 5 1 对s c l l 2 8 初始化后，就可收发数据。本文的智能家居安防系统包含中央监控器和火灾检测报警器。基于a r m 系统的中央监控器实时监测各节点的险情，它有u s b 通信模块和以太网接口，在接到险情后，可以同时向p c 机和物业报警，使险情得到及时处理。火灾检测报警器选用a t 8 9 c 5 1 作为测试节点的微控制器，可实现对环境温度和烟雾检测，当出现险情时，拉响蜂鸣器同时向中央监控器报警。本文设计的基于电力线通信的家居安防系统可对火灾进行报警，通过中央监控器，能及时处理险情，并能向小区物业通报险情，必要时还可自动向1 1 0 网上报警，实现了多重安防保障。关键词：电力线通信，r a m 系统，安防系统，u s b ，以太网a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ,p e o p l er e q u e s tn o to n l yt h eh i g h e ra u t o m a t i z a t i o na n dh i g h e ri n f o r m a t i z a t i o no fh o m e ，b u ta l s ot h em o r ef l e x i b i l i t yo fc o n t r o l l i n gh o m ea p p l i a n c e s ，a n dt h em o r ec o n v e n i e n c eo fr e c e i v i n ge x t r i n s i ci n f o r m a t i o n i no r d e rt or e a c ht h er e q u e s to fh o m ea u t o m a t i z a t i o na n di n f o r m a t i z a t i o n ，w en e e dt os e tu pp e r f e c ti n t e l l i g e n th o m en e t w o r k a n db u i l di n t e l l i g e n tr e s i d e n t i a ld i s t r i c t a n dt h el i v i n gs t a n d a r dw i l lb ei m p r o v e dg r e a t l y i nt h et h e s i s ，a c c o r d i n gt oe x i s t i n gt e c h n o l o g y , w ed e s i g nah o m es e c u r i t ys y s t e mb a s e do np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( e t c ) t h ee l e c t r i cp o w e rn e ti st h ew i d e s p r e a dp h y s i c sn e t w o r k s ot h ee l e c t r i cp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni st h ep r e f e r r e dn e ti nh o m en e t w o r k b u ti nt h ee l e c t r i cp o w e rn e t t h ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ti sh o s t i l e ，t h ei m p e d a n c ei sl o w ，t h es i g n a la t t e n u a t i o ni si n t e n s i v e ，i n t e r f e r ei sm u c h ，a n dt i m ev a r i a b i l i t yi sb i g a f t e ra n a l y z i n gs o m ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i n gc h i p ，t h et h e s i sa d o p t ss c l1 2 8w h i c hi sc o m m u n i c a t i n gb y s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y s ot h es p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g yi sf i tt oc o m m u n i c a t eo np o w e rl i n e id e s i g n e sa s s i s t a n tc i r c u i t sw h i c ha r es i g n a lb o n d ，f i l t e r i n g , b a c k i n gs t a g ea m p l i f i c a t i o n ，p o w e ra m p l i f i c a t i o na n ds oo n t h ep l cm o d u l ei sc o m p o s e do fs c l l 2 8 ，t h ea s s i s t a n tc i r c u i t sa n da t 8 9 c 5 1 a t 8 9 c 51i st h ec o n t r o lc h i p a f t e ra t 8 9 c 51i n i t i a l i z es c l l 2 8 ，t h ep l cm o d u l ec a l lr e c e i v ea n ds e n dd a t a i nt h et h e s i s ，t h eh o m es e c u r i t ys y s t e mi n c l u d e sc e n t e rc o n t r o lm o n i t o ra n df i r es e n s ea l a r m t h ec e n t e rc o n t r o lm o n i t o rw h i c hi sb a s e do na r ms y s t e mc a nm o n i t o rn o d e sr e a l t i m e l y t h ec e n t e rc o n t r o lm o n i t o ri n c l u d e su s bm o d u l ea n di n t e r n e tm o d u l e ，i tc a na l a r md a n g e rt op ca n dp r o p e r t y d o i n gt h i sm a k et h ed a n g e rb er e s o l v e di m m e d i a t e l y t h em c uo ff i r es e n s ea l a r mi sa t 8 9 c 5 1 ，a n di tc a nt e s tt h et e m p e r a t u r ea n dm o n i t o rs m o k ei ne n v i r o n m e n t w h e nt h e r ei sad a n g e r , f i r es e n s ea l a r mm a k eb u z z e rr i n ga n dg i v ea na l a r mt ot h ec e n t e rc o n t r o lm o n i t o r t h es e c u r i t ys y s t e mi ni n t e l l i g e n th o m ew h i c hi sb a s e do np l cc a na l a r mf i r e a n dt h ec e n t e rc o n t r o lm o n i t o rc a ng i v ea l la l a r mt op ca n dc a r e t a k e rr o o m ，a n dc a l lt h ep o l i c ei ni n t e m e ti fn e c e s s a r y s oi th a sm u l t i p l e x i n gs e c u r i t y k e y w o r d s ：p l c ，a r ms y s t e m ，s e c u r i t ys y s t e m ，u s b ，i n t e m e t独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签钥期珈吩月牺学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：签字日期：月卯日导师签名：仁文一瓤1 尹tl学位论文的主要创新点一、采用电力线通信芯片s c l l 2 8 和a t 8 9 c 5 1 设计了电力线通信模块，来完成信号的调制与解调。二、本文的安防系统采用分布控制集中管理的系统模式。每一个节点都有微控制器，可完成节点的初始化、险情检测及就地报警，实现了分布控制；中央监控器对各节点进行监控，若有节点报警，通过u s b接口和以太网接口向p c 机和物业报警，实现了集中管理。第一章绪论1 1 智能家居网络概述第一章绪论弟一早珀t 匕智能家居网络，在英文中称为i n t e l l i g e n th o m en e t w o r k - - i h n 。与其含义近似的如智能家居系统( s m a r th o m es y s t e m ) ，家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、电子家庭( e l e c t r o n i ch o m e ) 、数字家i 司( d i g i t a lf a m i l y ) 、家庭网络( h o m en e t w o r k i n g ) 、网络家居( n e t w o r kh o m e ) ) 3 乏智能家庭建筑( i n t e l l i g e n th o m e b u i l d m 曲，在香港和台湾等地区还有数码家庭和数码家居等称法【l l 。智能家居网络是以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体，为人们提供多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的现代化家居生活环境的网络集成服务技术【2 】o智能家居网络也可以定义为一个过程或者一个系统，即利用先进的计算机技术、网络综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适、安全、高品位且宜人的家庭生活空间，而且还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效地安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。近年来，随着网络技术和通信技术的迅速发展，人们不仅对家居的自动化和信息化程度要求越来越高，而且对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性提出了更高的要求。这就需要建立完善的智能家居网络系统，并构建智能化小区，从而真正满足家庭自动化和信息化的要求，有效提高家庭生活质量。因此对智能家居系统的开发研究已成为信息产业中一个热点问题。而要构建智能家居系统，就必须要有家庭内部局域网作为硬件平台。所有家居设备通过家庭内部局域网联入家居网络，可以实现家居设备之间的通信及互操作；家庭内部局域网通过家居网关联入i n t e m e t ，就可以通过互联网对家中的设备、电器进行过程控制、节能控制、状态检测、智能服务、安全防护等。这样的家居系统融合了信息管理和智能控制，它可以使一个家庭通过互联网和外界进行信息交流【3 】。1 智能家居网络的系统组成如图1 - 1 所示1 4 l ，智能家居网络系统从功能上划分，包括以下五个基本单元：家屠网络控制平台、智能远程抄表子系统、智能家居信息子系统、智能家居安防子系统、智能家居控制子系统。天津工业大学硕士论文智能家居安防子系统智能家居控制子系统家居网络控制平台智能远程抄表子系统智能家居信息子系统图1 1 智能家居网络系统组成水表电表气表计算机电话电视2 智能家居安防子系统智能家居安防子系统中安装了各种专用探测器和前端探测设备，提供玻璃破裂、火灾、煤气泄漏、盗贼入户、门禁破坏等报警，住户可通过监视器、监听器、可视对讲机等设施对住宅内外的情况进行监控，利用紧急按钮进行报警。住户还可设定不同防区的类型和报警方式，可通过远程监控方式或室内直接方式进行设防撤防，设置多种通信报警方式，如本地声光报警、电话语音报警或向小区管理中心报警等等。1 2 智能家居网络的发展概况1 国外智能家居网络的发展概况2 0 世纪7 0 年代中期，智能家居技术诞生于美国。随后，加拿大、德国、英国、澳大利亚、日本、新加坡和韩国等经济相对发达的国家先后提出了各种智能家居方案。1 9 8 4 年美国联合科技公司将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的c i t yp l a c eb u i l d i n g 大厦，实现了首栋的“智能型建筑 。从此，揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。在德国，弗劳恩霍研究会与1 1 家公司联手合作，建成世界上第一座智能住宅样板房，向人们展示了未来住宅的发展前景。在日本，网络家电开发已取得了重大进展，各主要家电厂家制定了网络家电的发展战略，松下电器等一批大公司联手推出了无线连接和电力线连接并用的e c h o n e t 系统，该系统支持即插即用、且能兼容不同厂家的家庭电器设备。新加坡科技电子公司的胜德s t 8 x 9 0 0 家庭智能化系统，该系统在系统性能方面具有思考性的逻辑判断和人格化的语言能力，具有了新一代智能化产品在人机交互方面的某些特征。韩国三星公司开发的基于p c 平台的智能家居控制系统也十分引人注目，并推出业界第一个家居网络备一备一各一备设一设一设一设火一盗一漏面不防一防一防一门备一各一备一备一备设一设一设一设一设明一暖一调一浴一房照一供一空一卫一厨第一章绪论解决方案。认识到智能信息家电和智能家居网络的巨大市场潜力，许多计算机、通信、家电行业的大公司都纷纷进入这个领域。c i s c o 、i n t e l 、n o r t e l 、m o t o r o l a 、l u c e n t 、3 c o r n 、i b m 、e r i c s s o n 和松下等公司已开始建立智能信息家电和智能家居公司。以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知业也先后进入智能家居网络的研究及开发领域，分别开发了“梦幻之家”、“家庭主任”、“居所之门”等家居网络设备。i n t e l 推出了a n y p o i n t 家居网络系统可以通过电话线或无线方式将p c 机与住户家中的各种设备连接起来，该公司还准备在适当的时候推出家用网关等网络设备。3 c o m 公司研发出家用无线网关等网络产品，并与m i c r o s o f t 联手开发通用式即插即用的家居网络系统。该系统方便地连接家电与网络，可以高速传输文字、语音、视频等信息，这套产品也适合小型办公型5 1 。2 国内智能家居网络的发展概况我国( ( 2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向，建设部要求“到2 0 1 0 年，大中城市中6 0 的住宅要实现智能化”。到2 0 1 0 年，我国超过7 0 的家庭将有互联网入网设备，5 0 以上家庭会有多台上网设备。2 0 0 1 年8 月，由国家经贸委牵头，成立了“家庭信息网络技术委员会 ，将家庭信息网络技术的体系研究和产品开发作为国家技术创新重点专项计划。进入二十一世纪，中国加快网络家庭发展的步伐，国内各家电和电子厂家推进了网络家电和家居网络的进程，纷纷推出了数字家庭的样板间设想，“数字家居”已成为业内关注的热点。出现了一系列的“家庭数码信息中心 、“家庭网络中心”、“e h o m e ”、“e h o u s e ”等崭新的数字概念，例如方正电脑的“家用电器智能网络”、海尔的“e 家庭 、实达的“信息家庭( i h o m e ) ”、海信的“海景二代”、联想的“h o m e 战略 等【6 1 。国内各类研发和生产“智能家居”产品的公司及产品：f 1 ) f l 匕京易居时空科技发展有限公司开发的e n j o y s m a r t 家庭自动化系统，向住户提供了家电统一管理、照明控制、供电控制、室内无线遥控、防盗报警、家居安全保障、温度自动检测调节、电话远程控制及互联网远程监控等智能化家居服务。其核心技术是网络家电的接口，以m o t o r o l a 的n a t m 技术为硬件基础，通过自行设计的实时多任务内核、c a l 语言解释器、事件管理机等组成分布式逻辑推理网络，实现了多种设备的即插即用和协同工作。( 2 ) 天津瑞朗智能家居电子科技有限公司在国内率先开发出基于x 1 0 智能家居国际标准的互联网家用电器产品，推出的瑞朗“因赛德计划 巧妙的解决了功能，价格，安装复杂性，升级扩展等系统设计的问题，具有技术成熟、成本低廉、天津工业大学硕士论文兼容性强等特点。( 3 ) 深圳达实智能股份有限公司开发的拥有完全自主知识产权的新一代智能家居控制器系列d h c1 0 0 2 0 0 3 0 0 ，结合计算机、通信、控制、互联网等领域的先进技术，充分满足了智能小区建设和智能家居的实际需要。( 4 ) 中美科龙智能控制联合研发中心开发的以p c 平台作为控制中心的“智能化网络家庭系统”，市场销售价约1 5 0 0 2 0 0 0 美元，该系统主要面向国际市场。( 5 ) 北京德达创先科技集团先后开发了l d m s 2 0 0 0 、智能家居控制器、h o m e n e t 网络化综合管理系统，并开通中国智能建筑服务网提供智能化建筑的在线咨询与在线技术支持，该网站己成为国内建筑智能化领域的权威网站。( 6 ) 南京普天楼宇智能有限公司与电信部门建立了战略合作关系，2 0 0 0 年正式推出了宽带信息小区家庭综合布线系统，提供全方位的智能化解决方案。目前在国内从事智能化家居网络产品的企业中还有近几年从事安防产品转移过来的一些中小企业，一些传统家电业的巨头如海尔、创维、t c l 、海信也开始进入智能化家居网络产品市场，在此不一一列举。中国智能家居网络行业虽然已有几年的发展历史，但基本上还处于初级探索阶段。由于智能家居网络技术标准众多，尚未能形成统一的标准，造成了人力分散、互动性差、协议分散和推广难度大的问趔4 , 7 - 1 2 。1 3 智能家居网络采用电力线通信的优势1 智能家居网络的信号传输介质智能家居网络通信形式多种多样，可以采用多种信号传输介质实现，大致有以下几种：( 1 ) 电力线用电力线作网络信息的传输介质是最方便的，现在的家庭中几乎都已敷设了供电的电源线并且电源线延伸到家庭的每个角落。另外，各种家用电器的运行都离不开电源。因此利用电力线来实施智能家居网络的方案不仅方便而且经济。国际上第一个实现家庭自动化的方案就是利用电力线作为信息传输介质的。( 2 ) 电话线利用电话线作为家庭信息传输介质的研究虽然起步较电力线晚些，但由于它具有布局简单、使用方便、安全性能好和易于大规模推广应用等优点，而且近期信号传输速率又得到了大幅度提高，所以它的应用和发展非常快，在美国已有成熟的产品。1 9 9 8 年6 月由美国1 1 家著名公司，其中包括：3 c o m 、a d v a n c e dm i c r o d e v i c e s 、a t & t 、c o m p a q 、h e w l e t t p a c k a r d 、i n t e l 、i b m 和l u c e n t t e c l m o l o g i e s等，发起成立了“电话线家居网络协会 ，至今己有1 0 0 多个成员。第一章绪论( 3 ) 双绞线同轴电缆用双绞线同轴电缆作为家居网络信号的传输介质是最通用的，虽然这种方式需要另外铺设2 4 根专用的传输线，给实际施工带来一定的困难，但由于其具有很高的通信可靠性和总线接口相对简单等优点，所以仍广泛使用在家居网络系统中。( 4 ) 无线方式无线方式是通过红外线或射频载波等形式传输信息，尤其是近些年发展起来的“蓝牙技术 ，给无线方式带来更大的活力。目前，可用于传输家庭中应用的控制信号、音频和视频信号、计算机网络信号。此外由于应用无线方式来传输信息时不需要铺设任何线路其实现非常方便灵活，适合于在家居网络中使用。但无线方式存在成本高、可靠性差、易受干扰、保密性差、电磁辐射强度大等若干问题。但双绞线、同轴电缆、电话线等需要重新布线，会给实际施工带来一些困难；红外线由于直线传播，不利于在各个房间相隔离的家居中的应用；蓝芽等其它无线方式虽然无需再铺设管线，实施方便灵活，但存在成本高，可靠性差、易受干扰等陷，另外，射频发射机发射的电磁波长期作用会影响人体健康。因此，只有电力线可以作为家居网络较为理想媒介【4 1 。2 电力线载波通信的优越性同其他通信方式相比，电力线载波通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，简称p l c ) 技术具有如下优越性：( 1 ) 充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“n on e ww i r e s ”技术，节约了资源。无需挖沟、无需穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施的破坏；( 2 ) 可以为用户提供价格低廉的高速因特网访问服务、i p 话音服务，从而使用户上网和打电话增加了新的选择，有利于同其它电信服务商的竞争；( 3 ) 对家庭联网提供支持，使人们可以尽享由p l c 技术带来的家庭音、视频网络，多人对抗游戏等娱乐；( 4 ) 是家居自动化的生力军，通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网，为人们提供数字化家庭带来的舒适和便利；( 5 ) 利用p l c 的永久在线联接构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等保安监控系统，让上班族高枕无忧；构建的医疗急救系统，让有老人、孩子和病入的家庭倍感方便；( 6 ) 远程自动读出水、电、气表数据，为公用事业公司节省大量的抄表费用，也方便了用户；天津工业大学硕士论文( 7 ) 为电力公司提供负荷控制、需求侧管理的新手段，提高电力公司管理水平：( 8 ) 电力公司以极低的投资就可以进入i s p 、i c p 和话音等电信服务市场，成为其新的利润增长点：( 9 ) 实现互联网、电话、电视、电力“四网合一”，创造巨大的经济和社会效益【4 】o据报道，美国2 0 0 0 年在家居网络上采用的传输介质情况为，电话线、电力线和无线方式各占9 2 、1 5 和6 5 ，而到2 0 0 3 年，它们各占7 0 、5 和2 5 。由此可见，电力线传输方式应用方便、易于布线，成为人们首选的智能家居网络信号传输介质【1 3 】。3 电力线载波通信技术的发展概况近年来，随着家庭自动化技术的发展，窄带p l c 技术因其技术成熟、价格低廉以及可靠性高等优点，被广泛应用于家居网络的控制信号传输领域。宽带p l c 技术是近几年发展起来的，利用低压电力线传输信息，传输速率在1 m b p s以上，被业内人士认为是解决i n t e r n e t 终端接入宽带网络的“最后三百米问题的最具竞争力的技术之一，并且有可能带来数据、语音、视频和电力传输的“四网合一 的新局面。宽带p l c 技术是电力线载波技术研究的热点和主要方向i l 引。英国联合电力公司的子公司n o r w e b 通信公司在1 9 9 0 年开始对电力线载波通信进行研究。1 9 9 7 年1 0 月，这两家公司声称已经解决了电力噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术实现了在低压配电网上进行1 m b p s 的远程通信，从而将四通八达的电力线转化为信息高速公路。从此以后，许多国家的研究机构开展了高速电力线技术的研究和开发，如美国的i n t e l l o n 、i n a r i ( i n t e l o g i s ) 公司、以色列的i t r a n 、m a i n n e t 公司、韩国的x e l i n e 公司、瑞士的a s c o m 公司、德国的p o l y t r a x 公司、西班牙的d s 2 公司等，产品的传输速率也从1 m b p s 发展到2 m b p s 、1 4 m b p s 、2 4 m b p s 、4 5 m b p s ，d s 2 公司为电力线传输视频、音频信号而开发的d s s 9 0 1 0 和d s s 9 0 1 1 芯片的数据吞吐量已经达到2 0 0m b p s 。当前，在高速p l c 进行商用化运营方面走在前列的是德国公司。早在2 0 0 0年5 月，德国顶级电力公司r w e 就开始采用瑞士a s c o m 的产品为埃森的电力用户提供电力线数据服务，速率达到2 m b p s 。收费方式为，当每月访问的数据量在2 5 0 m b 以内时，用户需支付2 2 欧元。截至2 0 0 1 年1 0 月，r w e 电力线通信公司大致安装了1 5 0 0 个电力线上网用户。从2 0 0 1 年1 2 月起，国电通信中心开始组织国内外厂商在北京的一些小区开第一章绪论展电力线上网实验。包括广华轩小区的韩国x e l i n e 公司1 4 m b p s 产品、华景园小区的瑞士a s c o m 公司4 5 m b p s 产品( 含i p 电话功能) 、善果小区的福建电力试验研究院1 0 m b p s 产品、岳峰园小区的美国l e a p 公司1 4 m b p s 产品、椿树园小区1 6 号楼的西班牙d s 2 公司4 5 m b p s 产品，以及华能平渊里小区3 号楼中国电力科学研究院的1 4 m b p s 产品等。当前宽带p l c 技术主要有两种发展模式：其一为以美国为代表的家庭联网模式。这种模式的p l c 只提供家庭内部联网，户外访问使用其它传统的通信方式。这一方面是由于美国a d s l 、h f c 等技术和产品已经比较成熟和普及，更重要的是由于美国的低压配电变压器一般为单相，平均只为5 6 个用户提供供电服务，推广高速p l c 接入技术成本过高的缘故。目前室内产品的较高速率是i n t e l l o n 公司的p o w e r p a c k e t 达到1 4 m b p s ；另一种模式是面向欧洲和亚太市场的，因为这些地区的低压配电网结构比较类似，一般为2 0 0 - - 一3 0 0 个用户提供供电服务，推广高速p l c 接入服务平均成本较低。该应用模式提供自配电变压器或楼边至用户家庭的全面p l c 解决方案。由于室外产品同室内产品的使用环境不同，技术上实现起来难度较大，因此能够提供该种方案的公司数量较少，主要有西班牙d s 2 公司、瑞士a s c o m 公司、以色列m a i n n e t 公司等。这几家公司在欧洲的西班牙、德国、奥地利、法国和亚洲的韩国、新加坡、香港等国家和地区建有实验网络【4 , 1 5 - 1 8 】。3 相关国际组织电力线宽带通信的国际组织主要有家庭插电联盟h p a ( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 、电力线通信论坛p l cf o r u m 、p a ia s ( p o w e rl i n ea sa na l t e r n a t i v el o c a la c c e s s ) 、以及日本的e c h o n e t 。( 1 ) 家庭插电联盟h p a2 0 0 0 年4 月，由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司组成的家庭插电联盟成立。该组织致力于创造共同的家用电力线网络通信技术标准。目前已发展成为由9 0 家公司组成的企业集团。2 0 0 1 年6 月，选用美国i n t e l l o n 公司的技术作为统一技术标准的原型，h p a 发布了技术标准“h o m e p l u gs p e c f i c a t i o n l 0 ，该标准定位于家居内部网络应用，采用o f d m 调制解调技术，数据传输速率为1 4 m b p s ，m a c 层协议为c s m a c a 。h p a 偏重于室内联网，对户外高速电力线接入涉及较少。( 2 ) 电力线通信论坛p l cf o r u mp l cf o r u m 成立于2 0 0 0 年3 月，它的成员来自三大洲的1 8 个国家，包括著名的a l c a t e l m i c r o e l e c t r o n i c s 、a s c o mm a n a g e m e n ta g 、c i s c oc o m m u n i c a t i o n s 、e n i k i a 、n o r t e ln e t w o r k s 、p o l y t r a x l n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya g 等7 2 家公司。论坛天津工业大学硕士论文的目标是为所有对p l c 感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府机构提供一个平台，促进彼此的交流和合作。该论坛的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内全面p l c 解决方案。p l cf o r u m 不制定标准，但将会员的提议提交给国际标准化组织，促使其成为标准。与h p a 相比，p l cf o r u m 侧重于接入部分。( 3 ) p a ias ( p o w e rl i n ea sa na l t e r n a t i v el o c a la c c e s s )p a l a s 将目标定位于为高速p l c 市场上的潜在用户开发一套完整的、商业化的测试服务工具包，该工具包包括技术模拟和咨询工具、最初的商业和转型服务模型以及具体的产品策略。除此之外，p a l a s 还提供一套综合方法，以减少产品面市的时间，增强产品在市场、技术、组织和经济问题上的确定性。( 4 ) 电力线载波通信设备开发会e c h o n e t 2 0 0 1 年，日本6 0 家有关企业设立了联合机构“电力线载波通信设备开发会”，研究用电力线作通信线路的技术。1 4 本课题的主要研究内容智能家居网络集信息传递、信息处理、自动控制于一体，是小区网络化、社会信息化的的基础。在智能家居网络的技术中，如何实现数据和控制信号的高速、可靠传输是目前亟待解决的关键问题。在众多的传输技术中，电力线载波通信技术以其线路覆盖率高、投资成本低、即插即用、接入点灵活等特点成为智能家居网络的首选传输技术之一。另外，从社会效益上看，电力线载波通信有可能实现“电力、电视、电话、互联网”四网合一的局面，为未来信息高速公路的建设提供良好的集约环境。但由于电力线不是专门为传输数据和信号而铺设的网络，因而通过电力线进行载波通信存在高削减、高噪声、高变形的缺点。如何有效去除线路干扰，提高通信的可靠性，提高信号的传输速率，成为近年来该领域研究的热点和难点问题。本课题基于电力线通信的智能家居安防系统的设计，主要用于控制信号的传输和回馈，针对智能家居网络信息流的特点电力线采用p o w e rl i n ec o m m n i c a t i o n( p l c ) 技术，实现智能家居网络信号传输的可靠性和数据信息传输的及时性要求。具体研究内容如下：( 1 ) 电力线通信芯片的选择；( 2 ) 智能电力线通信模块设计；( 3 ) 基于a r m 系统的中央检测器、u s b 模块及因特网通信模块的设计；( 4 ) 智能家居安防中火灾报警模块的设计；( 5 ) 系统软件设计，包括监控节点软件设计和中央监控器软件设计。第二章电力线通信的性能分析第二章电力线通信的性能分析2 1 电力线信道传输特性电力线作为传输介质有着巨大的优势，可以大量减少投资和对线路的维护成本，节省资源和人力物力，实现信息传输网络化等。但是低压电力线上干扰严重，实现可靠的数据通信就要选择合适的调制解调方式。在通信系统中，调制方式和编码方式是最关键的两个方面，如何选择合适的调制解调方式，首先应了解低压电力线信道特性。在低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰与时变性大等特点。在通信领域，衡量通信信道性能的基本指标是输入阻抗、信号衰减，尤其是高频信号的衰减和抗干扰性能。2 1 1 低压电力线的输入阻抗特性分析输入阻抗是指在信号发送装置和信号接收装置驱动点处配电网的等效阻抗，它的大小直接影响到传输信号耦合的效率，它是表征低压电力线传输特性的重要参数【1 9 1 。为了使耦合到电力线上的发射信号功率最大，载波机的输出阻抗应该与电力线上接收机的输入阻抗相匹配。但是由于电网上负载繁多，使得电力线的输入阻抗不是静态的。白天和夜晚的阻抗不同，通常白天的阻抗较低，夜晚的阻抗较高。在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。电力线上的输入阻抗会随着频率的变化而剧烈变化，可以从0 1 欧姆变到大于1 0 0 欧姆，变化范围超过了1 0 0 0 倍。在由许多电阻、电容和电感组成的网络中，从不同的点上看进去，输入阻抗显然是不同的。可见，信号输入点的不同对输入阻抗的影响也是非常大的。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给通信系统设计带来很大的困难。2 1 2 高频信号的衰减及其变化规律高频信号的衰减是低压电力线通信中遇到的另一个实际问题。对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这根线的任天津工业大学硕士论文意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系【加】。图2 - 1 是在一个工业建筑内测出的信号衰减与频率之间的关系【2 1 】，i s 为近距离( 大约1 0 m ) 同一相上测得的衰减曲线；i 为较长距离同一相上测得的曲线：舢，a 2 距离较长且发送机和接收机不在同一相上的信号衰减曲线。( a ) 实验时间为白天( b ) 实验时间为晚上图2 1 衰减频率变化曲线图2 - 1 ( a ) 中，i s 曲线的衰减随频率变化比较平缓，且小于5 d b 。由于距离很近，负载对信号衰减影响不大。i 曲线的距离在2 0 m 3 0 0 m 左右。将i s 曲线和工曲线进行比较，可见传输距离对衰减的影响是非常明显的，对于某些频率，衰减的变化可以超过5 0 d b 。从i 曲线可以看出，小于6 0 k h z 的信号，衰减大约在2 5 d b附近，然后衰减随频率增加而增大，到了2 0 0 l 【h z ，衰减大约为5 0 d b 。a 1 和a 2曲线的测量距离在2 0 m 3 0 0 m 。比较i ，a 1 和a 2 曲线可以发现，高频信号在跨相传播时，衰减比同相传播大。通常情况下，这个差距可以达到1 0 d b 以上。但是，有时跨相传播的衰减并不一定大于同相传播。引起这种现象的原因是三根相线之间存在一些耦合电容，以及三相电机、大功率加热器等三相用电设备。这些设备对称使用三相电源，即等效于为高频信号在三相电源之间加入了耦合元件。由于电容器高频信号的阻抗比较小，所以会使高频信号有比较大的衰减。图2 1 ( b ) 为夜晚在同一地点测得的衰减曲线。因为i s 曲线与图2 1 ( a ) 几乎完全一样，所以未画出。从i 曲线可以看出，夜晚同相传输的衰减基本上比白天要小，在某些频率，衰减甚至可以小2 0 d b 。这主要是因为晚间的负载较轻。在跨相传输中，衰减的波动比较大，在某些频率上的衰减比白天还要大2 0 d b 。这主要是电抗性负载、反射、多径传播或驻波等现象造成的影响。从以上曲线的分析可知，在低压电力线载波通信中，确定一个合理的通信带宽并不容易。从衰减变化的趋势来看，大于1 5 0 k h z 的信号会有比较大的衰减。所以，许多现有的低压电力线载波通信系统大多使用低于1 5 0 k h z 的载波频率。第二章电力线通信的性能分析但是，图2 - 1 ( b ) 中，8 0 k h z 信号衰减的突然增加表明在5 0 k h z ，1 5 0 k h z 的频率范围内也可能会出现很大的衰减【删。从以上分析可以看出：在总体上，电力线上信号的衰减随着频率的增加而增加，但在某些频率范围，由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响，衰减会出现突然增加。同时，信号传输距离对信号衰减程度也起着决定性的影响，随着距离的增加，衰减会迅速地增加。在跨相传播时，衰减一般比同相传播要大1 0 d b以上，但有时也会有例外。随着工频交流电相位的变化，高频信号的衰减也会出现周期性的变化。在不同的时间段、不同的地点，衰减幅度也不同，有时变化会很大。这种变化对载波通信设备的设计有很大的影响【删。2 2 电力线信道噪声分析2 2 1 噪声的分类电力线信道的噪声主要是由电网中工作的各种用电设备产生。不同地点、不同时间电网中工作的用电设备是不同的，因此电力线信道的噪声必然随着时间和地点而变化。低压电力线的传输环境不同于其他通信信道，它的网络结构复杂，连接的负载众多且经常发生变化，因此作用于它的噪声非常复杂，不能简单归结为加性高斯白噪声( a w g n ) 2 2 , 2 3 】。根据文献资料，电力线信道的噪声可分为以下5 类：有色背景噪声：这种噪声随频率而发生变化，具有相对低的功率谱密度( p s d ) 。它主要是由各种低功率的噪声源产生的，它的功率谱密度随时间的变化而缓慢发生变化。窄带噪声：主要是无线电广播发射引起的幅度调制的正弦信号。与工频异步的周期性脉冲噪声：这种噪声的重复频率一般为5 0 , - 一2 0 0 h z ，由电视机或电脑显示器干扰所造成，它的重复频率与电视屏幕或电脑显示器的扫描频率同步。与工频同步的周期性脉冲噪声：脉冲的重复频率为工频或工频的整数倍。脉冲的持续时间很短，频率覆盖范围大，功率大，功率谱密度随频率的升高而下降。它主要是由可控硅整流器件造成的。随机脉冲噪声：闪电或网络上负载( 如电容器组，自动调温器、冰箱、空调等) 的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会产生很宽的频谱。它的到达时间是随机的，持续时间从几s 到几m s 。脉冲噪声的功率谱密度有时会比背景噪声高出5 0 d b 。通常，前两类噪声的幅度均方根随时间变化缓慢，因此它们可以归纳为背景l l天津工业大学硕士论文噪声。另一方面，后三类噪声由于它们的幅度随时间变化迅速，可以被认为是脉冲噪声。既然脉冲噪声实际上是由电力线网络中的电器引起，电力线噪声可以被认为是背景噪声和来自附近电器脉冲噪声的总和。1 背景噪声图2 - 2 是背景噪声曲线【2 4 】，中心频率为4 2 m h z ，频带宽度为8 4 m h z 。可以看出，背景噪声的平均功率较小，但频谱很宽，而且持续存在，有可能部分或完全覆盖信号频谱。因此，通信过程中的信噪比可能会变得较差，而导致通信误码率增加。图2 - 2 背景噪声该噪声时时存在，因其频谱占据了整个通信带宽，扩展信号频谱不能提供任何增益，扩频通信技术对其几乎没有作用。测量发现，背景噪声主要来源是交直流两用电动机。这种电动机可以在许多家庭用具，如电钻、搅拌器、电吹风里找到，问题十分严重。所幸的是，背景噪声很少能够达到最高功率水平，而且它们将与传输信号一样被用户配电网络所衰减它的平均功率谱为如式( 2 1 ) 【矧。( 厂) 。1 0 ( 心脚n o 。，( 2 1 )式( 2 1 ) 中参数k 随时间缓慢地变化，大致具有高斯分布；，为频率( h z ) 。2 随机脉冲噪声闪电和负载( 电容器组、自动调温器、电冰箱、空调等) 的开关操作会产生随机脉冲噪声，每个脉冲噪声都将影响很宽的频带。脉冲噪声的主要参数是幅度、宽度和到达间歇时间。脉冲幅度和脉冲宽度一起给出了脉冲能量。宽度给出了在给定速率下影响的数据位数，而到达间歇时间则给出了脉冲噪声发生的频率。随机脉冲噪声，出现的时间是任意的：其噪声功率谱密度高，持续时间短，频谱宽。电力线上噪声的短期变化主要由与工频同步的周期性噪声和突发性噪声引起。与工频同步的周期性噪声与突发性噪声相比，具有以下特点：本来就很低的功率谱密度随频率的提高进一步降低，出现频率低，持续时间短，为微秒量级。但是，突发性随机噪声的持续时间却达到毫秒量级，而且功率谱密度能高出背景第二章电力线通信的性能分析噪声达5 0 d b 之多，通常会使得所传送数据的若干位甚至整个数据传输过程发生错误【2 4 】。在低压电力线路中，不超过0 1 m s 就会