电力线载波数字通信系统的实现

1、6科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON2008N O.21SCI EN CE &TECHN OLOG Y I NFOR M A TI O N信息技术电力线载波通信以低压配电网络(电力线路为传输通道,覆盖面广、不用重新布线,避免了对建筑物的破坏,并且具有接入简单、安装方便、投入费用少等优点。通过高速的I P 传输方式,可实现远程水、电、气、热等表计数据的采集、智能大厦、智能小区以及高速I nt er net 访问服务等,对于城市小区和农村都有其特殊的魅力以及应用前景。一个可行的、安全的电力线载波数字通信系统及其通信协议制定是其推广应用的关键。1电力线通信信道

2、高频噪声特点及分析电力线上不仅仅有220V50Hz 的正弦波,而且还有各种原因引起的噪声,如背景噪声、与工频同步的周期噪声、突发性噪声等。下面逐一分析这几种噪声。背景噪声:由图1可见,3kH z 95kHz 频带内背景噪声的功率谱密度随频率的升高而呈明显的下降趋势;在100kHz 450kH z 频带内背景噪声基本保持水平状态,其特性为白噪声其功率谱密度满足公式:N (f =C 。C 是随时间和地点变化的随机变量。但与kbi t /s 的数据传输率相比,C 的变化非常缓慢,可以认为恒定,大量的实验样本分析可知,C 近似满足=-94.10,=0.76的正态分 布。图1表 1表1是扫频信号峰峰值保

3、持2V,改变噪声峰值进行实验观察是结果,由表中可知当信噪比在3.79时其传输正确率为100%,随着信噪比的降低,传输正确率下降直至通信瘫痪。实际设计中保证一定的信噪比可减少背景噪声对通信的影响。对于周期性噪声,可以采用间隙传输的方法来降低影响;而突发性噪声的能量主要集中在100kH z 以下,且其发生频率和kbi t /s 的数据传输率相比很低,对传输系统的影响不大;其它类型的噪声可采用扩频载波通信消除。总体来说,噪声功率水平随频率的上升呈下降趋势,从噪声干扰角度看,FCC 规定的电力线通信频带100kHz 450kHz 更适用于电力线通信。2电力线载波数字通信的实现2.1终端与终端间通过电力

4、线数字载波实现数据通信终端即用户设备,可以是PC 机、嵌入式系统、家电控制系统、水、电、气热表数据接口等等。下面以PC 机为例,实现终端与终端间通信。PC 机之间通过RS-232接口电路及调制解调电路连接到电力线信道,构成基本的电力载波数字通信系统模型(如图2。PC 机端用Labwi ndow s /CV I 实现数据的串行发送和接收,如图3、4为软件界面 。图 3图4调制解调部分由数字信号处理单元和相应的外围电路组成,电力线采用的调制技术主要有OF DM (正交频分复用、DM T(多载波调制、扩频及常规的QFSK,电力线载波数字通信系统的实现何惠芳1唐小煜2(1.广东工程职业技术学院广州51

5、0520;2.华南师范大学物理与电信工程学院广州510006摘要:分析了在电力线这一特殊介质中由调制解调实现信息传送的可行性,改进了以太网CSM A /CD 协议,并在通信的寻址、传输过程中运用加密手法,设计一个具有一定安全性的DPLC 通信系统及其通信协议。关键词:电力线载波信道CSM A/CD 加密通信协议中图分类号:TM 73文献标识码:A 文章编号:1672-3791(200807(c-0016- 03图2图51C E CE EC H A科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON 2008NO .21SC I ENCE &TECH NO LOG Y I

6、NFOR M A TI O N 信息技术 FSK 等。下面以美国NS 公司生产的LM 1893电力线调制解调芯片为例,实现电力线数字载波传输(如图5。LM 1893采用抗噪声的FSK 调制,数据率达4.8KB,载波频率在50kHz 300kHz 间连续可调。如图只要设定1-4脚阻容网络,则可锁定载波及选频接收网络;通过5脚(高电平为发送,低电平为接收可控制串行数据在12脚输出或者17脚输入。接口部分,选用51系统单片机作为RS-232接口电路控制芯片。通过电力线实现点对点(终端对终端的数据传输以及在同一配电变压器内实现广播通信,制定一定的控制、通信协议则,则可以在电力线中实现数据简单的载波传输

7、。2.2多机(终端通信电力线通信系统的构建2.2.1多机(终端通信的寻址模式及数据封装格式在电力线中,各终端是以并联的形式接入电力线的,要实现正确的寻址并进行通信,首先必须保证每部终端的地址是唯一的。因此,所设计的系统中每部调制解调芯片的ROM 中都被写入一个各自不同的地址,类似于计算机局域网中每一个网卡的M AC 地址。而数据封装则采用以太网802.3。帧格式如表1。2.2.2简单的多机(终端通信各终端以并联的形式接入线路,则每部终端间都是平等的,都可以成为主机。这里先简化问题,把其中的一部终端作为主机,其它的作为从机。主机主动寻址查询其它终端,从机(子机被动应答,从而实现主从机间的通信。主

8、从机通信程序流程图如图6、7所示。简单多机(终端通信技术可以应用在诸如远程抄水、电、气、热表数据,智能小区总机查询、控制各监测点状态等主从应答、查询式通信系统中。2.2.3基于CSM A/CD 的多机(终端通信当每一部终端为独立、无主从关系时,也就是多机通信系统了。此时,每部机定时扫描电力线路,发现数据包则提取其目的地址信号,如果该地址等于本机地址则进行解封将并接收数据;如果要发送数据,则先把目的地址跟本机地址封装到数据帧中,再进行调制发送。但当每一部机都成为自由的主机后,数据冲突的就必须解决。假如某部终端准备发送数据时,线路中其它终端已经在通信中,或者几部终端同时发送了数据包,其结果必然是通

9、信失败。解决这个问题,可以使用以太网802.3中的CSM A/CD(带冲突检测的载波侦听多路访问协议。该协议在数据传输过程中,随时检测线路状态。发送前,连续地监听线路是否有载波信号,通常由表明线路正在使用的电压来识别。如未侦听到载波,则认为线路是空闲的,可以发送数据。如果在电缆传输的信号电平突然变高(载波升起,则其数据包在电缆上发生冲突,为了避免冲突,则必须等待。3通信的安全性和保密性同一个配电变压器电力线网络已经足够的庞大,在这个系统里面进行通信,没有充分的考虑,其安全性和保密性将无法保证,因为每一部机都可以信道上获取数据包,只不过是服从协议的终端丢弃了不属于自己的数据包,如果信道中介入了一

10、部不服从协议的终端,它便可以窃听信道中的所有通信。尤其在某个终端的地址泄密以后,它更可以专门对该终端进行窃听。 解决方案:把数据和对方的附有半个字节随机码的地址进行预调制,预调制后的信号再通过电力线调制解调器在电力线中进行传播,由于第三方虽然可以获取数据包,但由于无法获得该随机码,因此无法解调信号,达到信号加密的目的,加强的通信的安全性和保密性。(随机码通过一次预通信获得假设终端A 准备与B 进行通信,其通信过程用框图表示如下。 A 向B 发送请求:(此时如果C 事先把自己的地址设为B,则可以收到A 的随机码,见表2。 B 向A 发送随机码:(由于C 来不及修改自身地址为,无法解调B 的信号,

11、则无法得到随机码B ;如果同时向发送随图6主机通信流程图图7从机通信流程图表1表2表3表4 17C E CE ECH A A C A科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON2008N O.21SCI EN CE &TECHN OLOG Y I NFOR M A TI O N信息技术机码C ,通信将发生冲突,通信失败,同时,C 暴露自己身份,见表3。A 向B 发送有用信息:(由于C 得不到随机码B,无法解调信号,达到加密目的,见表4。4D PL C 通信系统协议框图(如图85结语尽管电力线作为通信信道相对于一些传统的介质有其自身的缺点,但因为它不用重新布线的优点

12、,非常适应城市小区及农村推广应用。因此随着难题的不断攻克以及国家法律的配套,它最终将会走向实用化、产业化。参考文献1王乔晨,郭静波,王赞基.低压配电网电力线高频噪声的测量与分析J .电力系统自动化,2002(1:1819.2周庆民.电力线载波通信集成电路LM 1893J .电子技术,1996(8:3839.3郭成林.AT 89系列单片机与PC 机之间的串行通信接口设计J .山西电子技术,2008(1:3132,75.4宋云翔.电力通信控制器的设计与实现D .南京理工大学,2006:3 4.图8定位技术测量模式在地籍控制测量和地籍碎部测量中的应用。3.1GPS(RTK 技术在地籍控制测量中的应用

13、利用GPS(RTK技术进行地籍控制测量,不要求通视,这样避免了常规地籍控制测量点位选取的局限条件,没有常规三角网(锁布设时要求近似等边及精度估算偏低时应加测对角线或增设起始边等繁锁要求,只要使用的GPS(RTK仪器精度与地籍控制测量精度相匹配,控制点位的选取符合GPS(R TK点位选取要求,那么所布设的GPS(RTK网精度就完全能够满足地籍规程要求。由于GPS(RTK定位技术的不断改进和完善,其测绘精度、测绘速度和经济效益,都大大地优于目前的常规控制测量技术,目前,常规静态测量、快速静态测量、RTK 技术已经逐步取代常规的测量方式,成为地籍控制测量的主要手段。边长在10km 15km 的GPS

14、 基线向量,如果观测时刻的卫星很多,外部观测条件好,可以采用快速静态GPS 测量模式;边长小于5km 的一、二级地籍控制网的基线,优先考虑采用RTK 测量模式。例如在大庆82.5万亩油田用第的地籍调查中,采用常规静态的作业方式建立了首级地籍控制网,然后采用R TK 测量方式,加密了低级(5地籍控制点。随着GP S(RTK定位技术的不断完善和网络RTK 系统的建立,我们可以看到,GPS(RTK技术可望成为地籍控制测量的方法之一。3.2GPS(R TK技术在地籍碎部测量中的应用RTK 技术使精度、作业效率、实时性达到了最佳的融合,为地籍碎部测量提供了一种斩新的测量方式。现在许多的土地勘测部门都购置

15、了具有RTK 功能的GPS 接收系统和相应的数据处理软件,并且取得十分显著的经济效益和社会效益。例如,自2001年以来,湖北省土地勘测规划院利用RTK 技术进行了京珠高速公路、宜都和武汉市经济技术开发区等大型征地测量的工作。据初步的应用分析,测量时间节省一半以上,测量精度和可靠性都得到了实质性的改善。采用RTK 方式进行碎部测量,与全站仪相比,速度快,作业效率高。与全站仪一样,RTK 测量单点的时间需要几十秒,但是,它不要求通视,不需要频繁换站,减少了全站仪频繁换站所花的时间,而且可以多个流动站通时工作。在相同的时间内,一台流动站大约是一台全站仪工作效率的1.5倍。参考文献刘基余,等全球定位系统原理及其应用M .北京:测绘出版社,1993:7882.2徐绍铨,等.GPS 测量原理及应用M .武汉:武汉测绘科技大学出版社,1998:2325.3王广运,等.差分GP S 定位技术与应用