基于低压电力线通信的远程监控系统

华中科技大学硕士学位论文基于低压电力线通信的远程监控系统姓名：郑秀波申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：程时杰;文劲宇20080604华中科技大学硕士学位论文I摘要近年来，通过配电网实现通信，又称低压电力线载波通信（PLC）越来越引起人们的广泛关注。电力线载波通信的许多优点为电力市场以及相关业务的发展提供了广阔的应用前景。特别是，这种通信方式可以利用现有的深入到千家万户的供电网络，而成为一种易于接入、方便使用且成本低廉的理想选择，因此，利用电力线通信技术构建针对家庭或楼宇的智能监控系统，是一种很有潜力的方案。然而，电力线网络总是处于强噪声环境下工作，电力线的低通特性、频率选择性衰减、网络阻抗的不匹配、信号的反射和折射以及严重的噪声干扰导致的小信噪比（SNR）等都会给电力线通信带来困难。针对这些不利因素，本文从技术角度探讨了窄带电力线通信系统的硬件设计和软件实现。本文研究了窄带电力线通信技术在监控系统中应用的可行性。概要介绍了低压电力线通信技术的理论研究和工业应用现状。结合实测数据，分析了低压电力线信道的低输入阻抗、高噪声、强衰减特性。设计了一个基于通用芯片ARM和DSP的窄带电力线通信系统的硬件平台。在该平台的基础上，实现了基于FSK的调制解调算法。此外，基于LPC2378和uC/OS-II实时操作系统，还构建了嵌入式WebServer，从而实现了基于电力线通信的远程监控系统。关键词：低压电力线载波通信，频移键控，嵌入式WebServer，耦合电路华中科技大学硕士学位论文IIAbstractTheusageofelectricalpowerdistributionnetworksasamediaforcommunications,calledPowerlineCommunications(PLC),hasbecomemoreandmoreattractiveinrecentyears.Ithasanumberofadvantagesthatattractgreatinterestforthedevelopmentofelectricalmarketandbusinessopportunities.Themainattractivefeatureofthiskindofmediaisduetoitsubiquity.Indeednowadaysallurban,suburbanandruralareasarefullycoveredbytransmissionanddistributionelectricitygridfordevliveringenergyservices.Itsubiquitymakesitanidealmediaforsurveillanceandcontrolapplications.However,powerlinecommunicationchanneliswellknownbyexpertsasoneofthemostcomplextocharacterize.Itisoftensaidthatpowerlineactsashostileenvironment.Besidesthelowpasscharacteristicofthechannelandthefrequencyselectivefading,theimpedancemismatching,thesignalreflectionandtheimpulsenoisescruciallyaffacttheSignaltoNoiseRatio(SNR).Fromatechnicalapproach,thisthesisaddressesthesechallengesthroughtheuniquecombinationofnarrowbandPLCModemhardwaredesignandsoftwareimplementation.Inthisthesis,wepresentthepossibilitiesofapplyingPLCinthecommunicationaccessnetworks.AconcisesummaryofthestateoftheartofthetheoryandpracticeofPowerlineCommunicationispresented.Thepowerlinechannelcharacteristicsisanalyzedbasedonmeasurementdata.SometipsaregivenforPLCmodemdevelopmenttoutilizingthecharacteristics.AhardwareplatformbasedongeneralpurposeICARMandDSPisillustrated.AsoftwareimpletationbasedonFSK(FrequencyShiftKeying)isrealisedontheplatform.Furthermore,anEmbededWebServerisdevelopedusingLPC2378andtheuC/OS-IIRTOS(realtimeoperatingsystem).Finaly,aremotesurveillanceandcontrolsystemisconstructedbasedonnarrowbandpowerlinecommunication.Keywords:PowerlineCommunication,FSK,EmbededWebServer,CouplingCircuit独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期:年月日日期:年月日华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1引言电力线通信，简称PLC（PowerLineCommunications），是指利用中、低压电力线作为通信介质，实现数据、语音和图像等综合业务传输的通信技术[1，2]。相比各种有线通信技术，它具有无需重新布线（NoNewWire[3]）的优点，不仅可以节约资源，安装使用方便，而且不影响建筑物的美观；相比各种近距离无线通信技术，比如蓝牙、ZigBee等，它又有不受建筑物阻隔，易于组网的优点。正是这些优点，使它具有广阔的应用领域。电力线通信技术分为窄带电力线通信（NarrowbandoverPowerLine，NPL）和宽带电力线通信（BroadbandoverPowerLine，BPL）。其中，窄带电力线通信是指带宽限定在3k~500kHz、通信速率小于1Mbit/s的电力线载波通信技术，多采用普通的PSK技术、DSSS技术和线性调频Chirp等技术；宽带电力线通信技术指带宽限定在1.6~30MHz之间、通信速率通常在1Mbps以上的电力线载波通信技术，采用以OFDM为核心的多种扩频通信技术。就应用而言，按照HomePlug的分类[4]，可以分为影音传输（HomePlugAV）、宽带连接(HomePlugBPL)和命令与控制（HomePlugCommand&Control）三个方面。其中HomePlugAV主要是指面向音频、视频传输的应用，如高清数字电视、视频监控等；HomePlugBPL主要是指面向宽带网络连接的应用，如解决最后一公里问题的宽带上网和室内的网络共享；HomePlugCommand&Control主要是指窄带电力线通信的应用，主要用于载波抄表、需求侧响应、安防以及监控系统。电力线通信技术广阔的应用领域，使其发展前景被广泛看好，因此使其受到了政府、金融界、工业界、学术界广泛的关注。美、德、法、日等发达国家政府顺应信息化发展的要求，已经逐渐放开对宽频带电力线通信的严格管制，开始大力发展电力线通信技术[5]。高盛、Google、微软等一些世界级的风险投资公司，密切关注电力线通信技术的发展，对一些有潜力的公司进行了投资。以美国的Intellon、以色列的Yitran公司为代表一批专注电力线通信的半导体设计公司逐步发展起来，推出了一系列高质华中科技大学硕士学位论文2量的电力线通信芯片。以美国Current公司、中国的上海索博代表的一批专注电力线通信技术系统集成的一些公司也发展迅猛，取得了不菲的业绩。一批国际性的组织，如HomePlug联盟、UPA等，也相继成立以推进电力线通信的技术的标准化与产业化。国内的国电通信公司、南瑞、TCL、海尔和华为等知名企业对电力线通信技术保持着密切的关注，其中一些企业也加入HomePlug等组织。电力线通信技术虽然有着诸多优点，但是电力线信道的恶劣的特性也为实现可靠通信制造了巨大的障碍。为了促进电力线通信技术的进步，从1997年开始，学术界每年举行电力线通信技术与应用研讨会（IEEEInternationalSymposiumonPowerLineCommunications(ISPLC)andItsApplications），就电力线通信技术的各个方面的问题进行学术交流。最近的一次会议是2008年4月份于韩国举行。此外，从上世纪开始的世界范围内的电力体制改革也是推动电力线通信技术发展的一个重要因素[6]。自上世纪70年代末期由美国佛罗里达电力联合集团（FCG）建立和完善电力经济人系统，形成电力市场以来，世界各国纷纷对本国电力工业进行了大规模的体制改造，引入竞争机制，开发电力市场，将传统的自上而下的垂直型垄断管理模式转变为公正、平等的电力自由贸易模式。随着电力市场的建立，电力用方和电力供方将处于一种平等的双向交流的地位，信息交换频繁，信息量大，这就需要完备的双向网络通信。如果能从技术上克服在电力线上进行通信的障碍，低压电力线作为一种业已存在的传输媒介，将是电力公司和用户之间进行双向通信的不二选择。很多知名电力公司，如美国的PJM、意大利的Enel等，都在积极开展电力线通信技术的应用研究。据PJM估计，开展需求侧响应，每周至少可节省6500万美元的能源消耗。中国的国家电网公司高度重视PLC技术的发展，从2001年起专门成立了PLC领导小组，下设PLC技术推进办公室，统一组织、协调和部署全国电力系统范围内的技术研发和应用试验。通过考察国外PLC技术的应用情况，确立了在中国开展PLC技术推进的战略计划，责成中电飞华通信股份有限公司实施PLC宽带接入运营试验，北京意科通信技术有限责任公司进行PLC相关产品的研发和制造。在国家电网公司的大力支持下，PLC推进工作取得了阶段性成果。自2001年起，中电飞华公司针对我国配电线路的实际情况，在北京的居民小区、学校、宾馆等开展华中科技大学硕士学位论文3了不同规模的组网试验和商业化试运营，目前已建立了完备的网络管理平台和服务支撑体系。截止到2005年7月，在北京地区，PLC网络覆盖小区550个，接入用户4.5万户，覆盖用户近50万户，取得了大量的实际运营经验。意科通信公司也相继研发出中、低压，宽、窄带系列产品，并已开始着手芯片的研发工作。本课题旨在这一大背景下，进行相关的应用研究，以促进和推动基于低压电力线的载波通信事业的发展，适应信息社会和数字化家庭发展的需要。1.2低压电力线载波通信的研究概况尽管低压电力线载波通信具有极其诱人的优越性和广阔的