别墅智能电力线载波视频监控系统.doc

别墅智能电力线载波视频监控系统设计方案重庆*有限公司 2012 年 5 月 25 日 一、设计背景 电力线是一种分布非常广泛的线路资源。长久以来，人们一直试图通过它传输数据和语音信号。但由于电力线通信环境恶劣，许多技术问题一直困挠人们。其中，最主要的问题在于高噪音和信号衰减。电力线通信的噪音主要来自于低压电网相连的负载，以及无线电广播的干挠；而信号的衰减是与通信信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的。 由于负载的开关会引起电力线上供电电流的波动，从而导致在电力线的周围产生电磁辐射，所以，沿电力线传送数据时，会出现许多意想不到的问题。 在这样的噪声环境下， 很难保证数据传输的质量。 而且，电力线通信的噪音和信号衰减是随时间变化的，很难找到规律。因此，电力线通信的环境极为恶劣。采用电力线通信的关键新技术可以解决以往存在的许多问题。 例如本设计采用的正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)，可以在同一电力线不同带宽的信道上传输数据。正交频分复用技术 （） 技术能够在抗多径干扰、信号衰减的同时保持较高的数据传输速率，在具体实现中还能够利用离散傅立叶变换简化调制解调模块的复杂度， 因此它在电力线高速通信系统中的应用有着非常乐观的前景。电力线通信还可采用前向纠错、交叉纠错、自动重复请求和TPC 编码等技术来保证通信信道的稳定可靠。电力线通信的介质访问控制(MAC)协议采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)协议，并增加了支持优先级、公平竞争和延迟控制等功能，因此，可以突破低压电力线通信的许多技术障碍。 基于STR12FW44X6 的电力线载波视频监控系统的设计，是充分利用嵌入式系统体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，再结合采用电力线通信的一些关键新技术来完成整个系统设计，用 ARM9 作整个系统控制的主芯片来完成本设计是一个很好的尝试。本设计通过核心控制器，把已压缩成 MPEG4 格式的视频信号流打包成电力数据包 （POWER PACKET），再利用专用电力线集成收发器 （IN51X1）采用多载波正交频分复用技术 （OFDM）对数据进行调制，通过前端模拟放大和耦合电路耦合到电力供电线路。 接收端通过模拟接收和耦合电路将调制信号送到专用电力线集成收发器进行解调，再由 STR912FW44X6 控制器还原成 MPEG4 视频信号，经 USB 送至上位机实时显示。 二、系统的总体构成及原理 1、系统的总体构成 系统的总体构成如图 1所示。 电力线插头摄像头1发射器接收器插头插头发射器摄像头2插头发射器摄像头8计算机 图 1 系统的总体构成 2、系统的工作原理 本系统主要由两大部分构成：摄像头及发送器、接收机。 （1）摄像头及发送器 这部分的作用是 由摄像头采集视频监控信号，将视频信号压缩成 MPEG（JPEG）格式。发送器读取摄像头采集的视频信号，将该信号封装到电力数据包中，并通过 OFDM（正交分频复用）调制方式将信号调制成便于发送的信号，再通过电力线耦合电路发送到电力线中。可以发送 8 路信号。 （2）接收机 接收机的作用是通过电力线耦合电路将电力线中 OFDM 信号接收进来，然后将电力数据包信号解调出来，再提取出电力数据包中的视频信号。经过处理后，视频信号可以通过 USB 接口送往计算机中显示，也可以通过 RJ45 接口送到网络中。接收机可以接受8 路视频信号。三、方案的设计与实现 1、摄像头与发送器的设计方案 （1） CMOS 摄像头及压缩处理单元： 采集视频信号， 将视频信号压缩成 MPEG(JPEG)格式。摄像头及压缩处理单元通过 USB 接口与微控制连接。 （2）微控制器：协调和调度系统的工作，其具体作用如下： 1）对摄像头及压缩单元进行初始配置及工作状态的控制； 2）通过 USB 接口读取摄像头及压缩处理单元的视频数据流，并将视频数据流转换成电力线收发器 INT51X1 的数据帧格式，再送往电力线收发器 INT51X1打包调制； 3）控制电力线收发器 INT51X1 的工作状态。 （3）电力线收发器：将微控制器传送过来的数字信号进行打包，并调制成可以通过电力线发送的调制信号。本方案电力线收发器拟采用宝瑞林公司生产的BRL-DZ420T专用电力线 MAC/PHY 集成收发器 INT51X1。INT51X1 将信号打包成电力数据包格式，采用 OFDM（正交频分复用）技术调制发送信号，可选择 ROBO/DBPSK/DQPSK等调制方式，可调制 84 个子载波；INT51X1 可根据收发端信噪比来分配子载波， 克服噪声和多径衰落的影响；传输速率最高可达 14MBps；符合 Homeplug1.0.12技术标准。 INT51X1 的系统配置及初始化通过SPI 接口读取 E PROM 中的数据来完成，LED 用于指示 INT51X1 工作状态。 （4）模拟前端发送器 AFE 及耦合电路：将电力线收发器传送过来的调制信号以合适的增益进行放大调理，再通过耦合电路传送到电力线上。AFE 模块拟采用BRL-DZ420T。BRL-DZ420T 内含发送放大器、 接收放大器、 带通滤波器等单元。BRL-DZ420T可直接 INT51X1 接口。 （5）电源：为系统的各部分提供工作电压。 2、接收机设计方案 （1）耦合电路及模拟前端接收器 AFE：耦合电路接收电力线中经过调制的 OFDM信号，送入 AFE。AFE 将接收的信号滤波，滤除电力线中引入的噪声，阻止工频电流进入系统，再将信号放大以便送入电力线收发器 INT51X1 中。AFE 电流拟采用BRL-DZ420R。BRL-DZ420R 可以与 INT51X1直接连接，其功能在前面已介绍过。 （2）电力线收发器：解调接收到的 OFDM 信号并还原成电力数据包，提取其中的视频数据帧。在微控制器的控制下将视频数据帧传送给微控制器。电力线收发器拟采用 宝瑞林公司的专用电力线收发集成电路，其功能已在前面介绍。 （3）微控制器：协调和调度接收机系统的工作。具体为： 1）控制电力线收发器 INT51X1 的工作状态，读取视频数据帧，还原出其中的视频信号； 2）根据需要，将视频数据通过 USB 接口传送到显示终端显示；或将视频数据通过 Ethernet 物理层接口传送到万维网或局域网上。 （4）USB 接口与 Ethernet 接口：用户可通过 USB 接口或 Ethernet 接口控制接收机接收视频信号。 四、产品示意图 图2 为产品的示意图。 五、软件工程 本方案的软件工程主要包括： （1）Linux操作系统底层移植； （2）Linux环境下的 USB、Ethernet 和 INT51X1 设备驱动； （3）视频数据的采集与转换； 六、设计特色及产品的预期指标 设计特色： （1）利用现有的电力线资源实现了实时数据和图像传输。 （2）数据压缩传输技术：数据压缩集中发射，这种技术使传输效率大大提高，增强数据信号，有效地提高信噪比，减少系统功耗，并容易避开干扰的影响。 （3）宽频带传输技术：系统并不在某单一频点上传输信息，而是在宽频带范围内寻找最小干扰的可靠发射频点，集中发射，不存在同频干扰的问题，确保数据传输的成功率，并有效地减少功耗。 （4）抗高压保护技术：由于采用了独特的高频高压阻断、吸收保护的技术器件和电路。 产品的预期指标： （1）实际带宽达8M，可同时传输 8 路视频监控信号； （2）实际传输距离不少与