基于电力线载波通信的地下室门禁信号采集装置的设计与研究

赫修杰

摘 要基于电力线载波（简称PLC）通信的地下室门禁信号采集装置利用过零点PLC通讯和可预测P-坚持CSMA等技术满足地下室门禁信号的可靠采集，同一台区下增加采集器可将地下室门禁的安防信号传至小区物业服务器。

【关键词】地下室门禁信号采集 过零点PLC通讯 可预测P-坚持CSMA

1 引言

目前安防系统的报警信息（如烟气、煤气、门磁、红外探测等）可采用无线（射频、手机网络）或专用信号线传输方式。射频传输不能满足远距离传输的要求，尤其当收、发模块之间有障碍物时，传输距离会大大减小；在很多区域手机网络不能覆盖，不能实现传输；专用信号线传输方式需要布线，当收、发模块之间距离远、障碍多时，布线比较困难。

利用PLC通信采集地下室门禁信号，解决了很多小区的地下室的上述问题问题。通过过零点PLC通讯和可预测P-坚持CSMA大大增加了可覆盖的区域，可广泛应用于楼宇间安防信号的传输。

2 采集装置的总体方案设计

PLC通信门禁信号采集装置，包括载波发送装置和载波接收装置，载波发送装置通过电力线与载波接收装置相连接；载波发送装置采集门禁系统信号经电力线传输给载波接收装置，载波接收装置的输出接与之配套使用的安防报警系统。

2.1 门禁信号采集装置硬件设计

PLC通信门禁信号采集发送装置和接收装置在硬件电路设计上是基本是一致的，区别在软件设计。因此在这里只介绍PLC收发装置硬件设计的通用核心部分，主要为PL4000主控制系统设计和载波收发单元电路设计。其中载波芯片为控制核心，负责协调各子功能模块间的协调，核心指令和功能的实现。

2.1.1 门禁信号采集装置主控制电路设计

门禁信号采集装置主控制系统的处理器为福星晓程公司的PL4000芯片，该芯片采用BDPSK调制方式和直序扩频技术，载波中心频率为120KHz，伪随机码速率为7.5KHz。PL4000提供的过零点通信方式，数据速率为100bps，载波发送起始时刻可由软件灵活控制，能够有效避开信道上噪声最恶劣的时刻，提高通信质量，同时也有利于相位的甄别。

PLC通信门禁信号采集装置的主控制系统由处理器、晶振电路、电源模块以及上电复位电路等构成，主控系统在应用系统设计中十分关键，它是应用系统的内核。本系统的外部时钟模块选用19.6MHz的石英晶振作为工作频率。

2.1.2 门禁信号采集装置载波收发单元电路设计

从PL4000输出的信号幅度小、驱动能力弱而且还有各种谐波，因此必须经过放大和滤波，然后才能通过耦合电路将信号调制到电力线上。耦合电路将高压和低压隔离，以防止高压击穿通信电路。同样，从电力线来的载波信号又要由PL4000接收，而电力线上的干扰信号很不确定且非常复杂，所以需要一个带通滤波器，通过87.2kHz～135.6kHz之间的信号（本系统采用120kHz载频），经过预放大后再送到PL4000的接收端。

2.2 门禁信号采集装置软件设计

由于地下室门禁信号对实时性要求较高，因此PLC通信门禁信号采集发送端装置软件设计的难度在于满足PLC通信网络的实时性要求，主要解决小区内多个同频PLC通信门禁信号同时传输的冲突避开机制。主要表现在所发送的数据在可确定的时延内送达，该软件设计使用的是可预测P坚持CSMA算法，算法原理是：假如介质当前有多个节点需要占用信道，或者已经发生多次冲突，可预测P-坚持CSMA算法则可根据当前的负荷量来判断发送数据可能碰撞的可能性。当前冲突次数多，则自动减小P值，否则增大P值。这种算法在发送数据时采用先侦听信道是否空闲，若空闲则以概率p发送，否则以概率（1-p）延时一段时间（端到端的传播时延），重新侦听信道，因而，要提高网络实时性需要解决的问题就是：

（1）减少线路等待时延；

（2）避免冲突；

（3）冲突发生时的快速恢复。

可预测P坚持CSMA在一定程度上解决了上述问题。下面详细的分析其实时性。

下面考虑一个最典型的情况：假设该采集装置安装在了一个变压器下的两栋33层的楼，每栋楼两个单元，每个单元都是两梯四户，每户有一个地下室，每个地下室都安装一套门禁信号采集发送装置，则两栋楼共528户，设防状态下地下室门被同时打开的最大概率为0.05，则同时打开地下室门的用户为27户。

若设R为随机时隙数，R≥8，即网络的最小随机时隙数为8，D为网络上将发送的数据包的数目，即预约交通量，典型D∈〔1，27〕，则P表现为：

由此可见，随着D的增大，随机时隙数增加，P减小。由于每个节点在一个时刻只能发送一个数据包，通常，D≤信道上节点的数目。当考虑极端情况时，一个时刻所有的节点同时请求发送，则D即为信道上节点的数目。此时，由于程序已经分配了足够的随机时隙，网络的数据传输基本不会发生冲突，网络以接近最大的吞吐量工作。只是数据的发送产生了一定的时延。

3 结论

本文提出的基于PLC通信的地下室门禁信号采集装置解决了地下室门禁安防信号难以上传至安防或智能家居系统的问题，对解决地下室防盗具有实际意义。

参考文献

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作者单位

河北金利康科技集团有限公司 河北省石家庄市 050021