智能电力线载波通信模块的设计

别　致，王　翥，陈翔宇，涂艺斌

(哈尔滨工业大学信息与电气工程学院，山东 威海 264209)

0　引言

电力线载波通信，简称电力线通信(power line communication，PLC)，是利用电力线作为传输通道的一种特殊通信方式。PLC技术充分利用电力线现有资源，已逐渐成为电力系统应用中的主流通信方式[1]。PLC技术降低了通信成本，且无需额外设置通道[2]。在不方便布设通信线缆的特殊场合，PLC具有便捷、可靠、安全等优势[3]。简单来说，PLC就是利用已有的、几乎无处不在的电力线为通信载体，加上一些PLC局端和终端调制解调器，从而将原有电力网变成电力线通信网络，并将原有的电源插座变为信息插座的一种通信技术[4]。PLC技术正逐渐应用于实现城市照明系统的智能化、合理化运行[5]。在未来的智慧家庭中，PLC技术也将是主要通信方式之一[6]，具有广阔的应用前景。

传统的低压电力线载波的基本调制方式分为幅值键控、频率键控和相位键控[7]。由于电力线的负载情况十分复杂，其干扰信号的频谱很宽，信号衰减也很严重[8]。传统的电力线载波方法普遍存在抗干扰能力差的问题。

本文设计了一种基于相位同步调制解调的PLC智能模块。其原理是在电力线工频信号的每个周期固定相位处，将数字信号“1”、“0”调制到电力线上，并在工频信号相应位置作信号解调。这种方法的抗干扰能力大大增强，适用于通信数据量不大的场合。同时，结合微控制器(micro control unit,MCU)，将该模块的用户侧设计成目前被广泛使用的串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)通信方式[9]。用户无需了解复杂的电力线调制/解调技术，就可以操作标准串行口实现电力线载波通信。该方法易于实现嵌入式二次开发，符合Clark等提出的模块化三大特征：相对独立性、互换性和通用性[10]。

1　工作原理

电力线载波通信模块由MCU、调制与解调电路、同步信号电路和低压电力网络等部分组成。载波通信模块工作原理框图如图1所示。

图1　载波通信模块工作原理框图Fig.1　Working principle of the carrier communication module

①用户：使用模块进行二次开发，并完成确定功能的一方。

②智能载波模块：实现数据同步、调制、解调，并协调载波通信与SPI串行通信的切换。

③信号同步：捕捉特征相位点，在相应位置调制/解调电力线上的信号。

④信号调制：用户将通信内容通过SPI口发送给载波模块；载波模块将数据逐位调制到电力线上。

⑤信号解调：载波模块逐位解调电力线上的数据，并通过SPI口将数据输送至用户。

当模块初始工作时，其处于数据接收状态；当模块接收到SPI数据时，其将通过载波发送数据；当模块接收到载波数据时，其通过SPI将数据发送给用户。

2　单元电路设计

2.1　信号同步电路

信号同步检测电路主要是检测220 V工频交流电信号的某个特征相位点，并将其作为信号调制与解调的位置，实现信号同步。信号同步电路如图2所示。

现有的商业区域管理运营模式采用的信息化手段比较单一，管理系统往往缺乏动态数据收集、商业决策和智能化分析等新技术的应用，部分数据因收集不准确、滞后而形成信息孤岛。新技术的应用对商圈的发展、提升和改进有决策辅助、过程数据呈现和结果预测等作用，影响着商圈自身的发展。

图2　信号同步电路Fig.2　Signal synchronizing circuit

信号同步电路的输入端口为220 V电力线上的零线端口。VCC(+10 V)经R3、R4分压后，作为电压比较器U1的参考电压。220 V的工频信号经过R1、R2分压后，与参考电压进行比较。电压比较器的输出经导向器U2调理后，得到具有一定占空比、频率为50 Hz的方波信号。调整R1、R2、R3、R4的值，即可改变该信号的占空比。本设计产生的方波信号的高电平持续时间为12 ms，低电平持续时间为8 ms，占空比为60%。

2.2　信号调制电路

信号调制电路将MCU输出的数字信号调制到电力线上，以实现载波通信。信号调制电路如图3所示。

图3　信号调制电路Fig.3　Signal modulation circuit

图3中，当来自MCU输出端信号为高电平时，导向器U3输出低电平，快速功率管Q1不导通，无数据发送；当来自MCU输出端信号为低电平时，U3输出高电平，快速功率管导通，在零线上产生一个脉冲信号，形成“陷波”。为自恢复保险丝，F1通过调整R6、C1，可以改变输出信号的脉宽。令MCU连续发送数字信号“1”，则U3输出的调制信号波形如图4所示。

图4　调制信号波形Fig.4　Modulated signal waveform

调制信号的时序安排及加载位置均可通过调整电阻电容进行解调。由于调制信号的能量比较集中，信号传输距离很远，可以实现比较理想的电力载波效果。但由于脉冲宽度过大，也会导致载波模块功耗大和电网噪声等问题。

2.3　信号解调电路

信号解调就是在接收端识别加载在电力线上的信号，并传输给MCU作进一步的处理。信号解调电路如图5所示。

图5　信号解调电路Fig.5　Signal demodulation circuit

图5中：C2具有隔直作用；R7和R8对VCC进行分压后，起到钳位作用；R9和C3起到滤波作用。当脉冲信号低于0 V时，比较器输出高电平信号。

电力线陷波及数字脉冲示意图如图6所示。仅当工频信号在一个周期中载有陷波信号时，比较器U4输出高电平脉冲。MCU根据是否检测到高电平脉冲来判断接收到的数字信号为“1”或 “0”。

图6　电力线陷波及数字脉冲示意图Fig.6　Schematic diagram of power trap wave and digital pulse

3　应用与测试分析

将设计内容应用于智慧社区照明控制系统中，用户与模块测试逻辑关系如图7所示。实际应用中，图中的用户A为数据集中器，用户B为终端控制器。

图7　用户与模块测试逻辑图Fig.7　User and module test logic

3.1　通信协议

表1　数据帧格式Tab.1　Data frame format

控制字定义如表2所示。

表2　控制字定义Tab.2　Control word definition

3.2　测试及分析

在某社区构建了数据采集与控制网络，对本设计进行测试。在社区变压器下端安装1个数据集中器，并在20个照明器灯杆下各安装一个控制器。每个控制器通过2个继电器控制灯杆上挂载的2个照明器。控制器与集中器的最远距离约为600 m。分项测试结果表明，该设计满足全部设计要求。本文以表地址9001为例，功能测试表如表3所示。

表3　功能测试表Tab.3　Functional tests

4　结束语

本文设计了一种智能低压电力线载波模块。该模

块可以通过低压电力线进行数据传输。其优点为：用户采用SPI即可简单地进行二次开发，操作简单、适用性强；模块传输速度为50 bit/s，在不追求高速率的情况下，大大降低了模块的生产成本；传输距离远、抗干扰能力强。后续工作在于：进一步分析本设计对电网的干扰程度，以及电网中存在的噪声对本设计涉及调制与解调的干扰程度；采用多相位点同步的方式，可进一步提高通信速率。

参考文献:

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[2] DANI V,JALIHAL D,SAMPOORNAM S,et al.Power line carrier communication based low cost power monitoring and management system[C]//2016 First International Conference on Sustainable Green Buildings and Communities.IEEE,2017:1-4.

[3] SATHYA G,ASHISH B K B,BINOSON J J,et al.Automated electricity meter reading using powerline carrier communication[J].Programmable Device Circuits and Systems,2016,8(8): 185-189.

[4] 谢俐.电力线载波数字通信技术研究与实践[D].重庆:重庆大学,2009.

[5] 茅天阳,赵亮.智能家居通信技术研究综述[J].物联网技术,2017,8(2):63-65.

[6] 翁炜羚.电力载波通信技术的路灯单灯控制系统研究[J].四川建材,2017,43(2):229-230.

[7] 詹圣红.电力线载波技术在设施监测系统中的应用[D].上海:上海交通大学,2007.

[8] 宋佳,王祁,王翥.一种有效的用于低压电力载波通信的技术[J].微计算机信息,2007,25(24): 101-103.

[9] 王波.基于低压电力线的智能载波通信模块的研究与设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[10]朱毅.“模块化”在消费电子产品设计中的研究[D].无锡:江南大学,2009.