摘要：低壓電力線載波通信技術能夠利用低壓電力線進行數據通信,不需要再架設專用電纜,給遠程數據采集及通信系統的實現提供了很大的方便。本設計就是在電力線為通訊介質的前提下，探討了家庭智能網絡的一部分應用——小區自動抄表系統。研究對象的側重點是整個通訊系統中的最基本單元——采集器。
關鍵詞：電力載波，單片機，采集器
中圖分類號：TP32 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)12-21670-03
On Intelligent Home Power Line Carrier Data Acquisition Design
WANG Quan
(SonTan College of Guangzhou University,Guangzhou 511370,China)
Abstract：The power line carrier communication technology can utilize the power line of low voltage to carry on data communication , not needing to set up the special-purpose cable again , the realization for the long-range data gathering and communication system offers very great convenience. This design is on the basis of using the power line as the communication medium, and we discussed the applications of a part of the family intelligence network—automatic metering system in community. The main research object of this design emphasizes on the most basic unit in the entire communication system—collecting.
Key words：power line carrier;MCU;collecting
1 引言
隨著科技的進步和人民生活水平的不斷提高，住宅智能化在當今生活中顯得日益重要起來。但是由于現有布線網絡和監控、通訊、保安、管理等設備都是針對大型高層樓宇的，價格高，且難以在建成的住宅中使用，所以人們找尋并開發了一種簡單有效且經濟的方案。
電力網是一個近乎天然、入戶率絕對第一的物理網絡. 由于電力線機械強度高, 可靠性好, 用于通信不需要線路的基礎建設投資和日常的維護費用, 因此電力線通信具有較高的經濟性和可靠性, 在電力系統的調度通信、生產指揮、行政業務通信以及各種信息傳輸方面可以發揮重要作用。低壓電力線載波通信技術能夠利用低壓電力線進行數據通信,不需要再架設專用電纜,給遠程數據采集及通信系統的實現提供了很大的方便。
本設計就是在電力線為通訊介質的前提下，探討了家庭智能網絡的一部分應用——小區自動抄表系統。研究對象的側重點是整個通訊系統中的最基本單元——采集器。
雖然電力載波技術不論在歐洲、北美等地區還是國內在“最后一公里”接入，以及構建“智能家庭”中都有較快的進展，具有良好的發展前景。但是相對傳統電信技術而言是一個新生兒，有很多不完善的地方。在技術、相關標準、合作組織、市場推廣、贏利模式和產業鏈的形成等方面面臨眾多的挑戰，該技術的成功推廣需要多方面的努力。
2 數據采集器
自動抄表系統主要由三大主要硬件單元構成——數據采集器，集中器，中心服務器。數據采集器是整個通訊網絡的最基本單元，它主要負責的是對單個電表的數據進行采集，并且將每個用戶的數據分別存儲，然后當接收到集中器的命令時，將用戶數據發送給集中器，數據采集器不單可以把數據傳輸給集中器，而且可以將數據通過紅外線通訊方式，把數據傳輸給相配套的掌上電腦。這樣不僅使得數據得到更有效的保存，而且大大增強了整個系統的靈活性和可擴展性。當然，數據采集器還要在面對很多意外情況下仍然保證數據的準確可靠：
2.1 保證在突然停電的情況下，數據仍然正確保存
采用了IIC總線的EEPROM芯片進行數據存儲，這種芯片的最大特點就是能利用旁接的大電容供應微小電流的情況下，完好保存數據，而由于該種芯片本身需要電流非常微小，加上足夠大的電容之后，可以使得數據的保存達到2天以上，完全可以應對停電帶來的不便。
2.2 在電表傳感器傳輸的信號有毛刺或者抖動時，正確識別信號
采取軟硬結合的方法進行濾波，消除干擾，硬件上我們是信號進入處理器之前，我們使用光耦遠見，保證輸入的脈沖信號不對毛刺進行識別，而且輸入的脈沖信號都是寬度相同的脈沖信號，這也為軟件設計提供了良好的工作環境；軟件上，我們對多路信號進行實時判斷，在每個采集器所監控的16個用戶單元中任意一個信號發生改變，處理器都會馬上得知，并判斷出信號的對應用戶進而將信號存儲在正確的單元。
2.3 不同時段按不同費率紀錄
由于電力系統越來越復雜，收費標準越來越細化，我們會將用電的不同時段給予不同的費率，因此數據采集器自身必須要能正確判斷時段，并加以分類存儲，我們采用了IIC總線的時鐘芯片進行管理，以實現該任務，時鐘芯片可以有很多種工作方式，我們主要使用了時鐘芯片的定時報警功能，在兩個不同時段的交界處，我們預先設置時鐘芯片發出報警信號，處理器在接受到信號后馬上對自身進行調整，在進入下一時段的用戶信息加以不同的標注，這樣就達到了分時段管理的目的。
2.4 統一較時
由于不同時鐘芯片隨著工作時間的推移，在不同環境下產生的溫度漂移現象就會越來越突出，這會使得數據采集器“各自為政”，產生的誤差將日積月累，變得無法控制，進而不能公平準確的記錄，而實現每個數據采集器擁有正確的時間是非常重要的。我們采用了定期由集中器發出統一指令，讓數據采集器統一校準時間，這個辦法可以很好的解決這一時間問題。
3 采集器的硬件設計原理
3.1 電源部分
本設計中的供電部分都是從電力線變壓而來的，而除了供應數字電路和模擬電路的+5V電壓之外，SSC P300還需要-5V的輸入電壓，我們首先使用了一個降壓整流電路，將電力線的220V交流電降壓，并整流為直流電，圖1為降壓的原理圖。
PS1為過電流保護的保險絲，CNB是壓敏保護器，電容CX和R167構成一個濾波器，濾掉電力線上的諧波，WZ是與SSC P300配套使用的變壓器，在經過C68和C61濾波之后，在PL端輸出的是帶有Chirp波的降壓信號，這個信號將被傳輸到SSC P111芯片將帶有Chirp波信號的電壓輸入在解調成原來的數字信號之前，進行發大和整形，使得Chirp信號更加突出。與220V電力線并聯的DY-5，DY-9和DY-6，DY-8分別將作為整個電路板上所有元件供電的來源。兩組分別為模擬電路部分和數字電路部分供電。下面分別進行介紹。
圖1 降壓原理圖
3.2 模擬部分供電
模擬部分供電需要+5V直流電源，我們采用了非常常規的、成熟的降壓整流電路來完成，具體原理圖見圖2所示。
在這里，我們首先在DY-5，DY-9之間放置一個穩壓管TVS51，對電源過壓保護，然后通過BD51橋電路進行整形，將交流電源變成直流電源，通過C45和C54的高低濾波后，通過MC7805將輸出電壓變為直流的+5V，通過C55和C46的在此濾波，在AVCC端和AGND端得到穩定的+5V直流電壓源，這個電壓源將作為模擬電流的供電電源。
圖2 模擬部分供電部分原理圖
3.3 數字電路供電
數字電路部分供電電源與模擬部分略有不同，不過同樣使用的是以橋整形電路配合穩壓管產生+5V和-5V的輸出電源。具體原理圖見圖3所示。
圖3 數字電路部分供電電源原理圖
圖中MC7905T輸出為-5V電壓源。另外，由于SSC P300還額外需要一個+5V的驅動電壓，我們采用了從VCC隔離出另一個+5V的C_VCC，具體電路原理圖如圖4所示。
4 用戶信號采集部分
4.1 單個用戶信號采集部分
用戶電表的數據是通過傳感器采集脈沖信號，不同的電表有不同信號產生方式。現在使用的電表由兩種形式，一種式機械式，另一種是電子式。機械式電表的傳感器原理十分簡單，就是在機械旋轉表盤的盤面上打一個小孔，然后再在孔的垂直上方安一個紅外線發射器，發射連續的紅外線，小孔垂直下方放一個紅外線接收器，在接收到紅外信號的時候，接收器被激活，激活期間發出5V的高電平信號，當電表正常運行的時候，機械表盤不停的旋轉，旋轉一圈過程中，小孔到達正確位置的時候，傳感器的接收器部分發出高電平信號，作為一次記錄的信號，并將這個信號傳遞到采集器加以處理。
圖4 +5V電壓驅動
由于小孔非常小，而且表盤的旋轉速度可能比較快，因此這個高電平的維持時間可能非常短暫，但是我們不可以把這個信號脈沖信號而直接使用，因為由于孔的大小不同，紅外發生器和接收器的安裝高度也不會完全一致，另外因為用戶用電功率的不同會導致電表表盤的旋轉速度不同，所以發出的高電平信號不是等寬度的信號。
因此，我們采用光耦元件對信號進行處理，該元件的特點是可以將信號的上升沿和下跳沿進行微分，變成兩個間隔時間和高電平信號時間相等的脈沖信號傳遞給處理器。處理器接收到第二個脈沖時候，會將該用戶的用電信息記錄一次。圖5給出光耦使用原理圖：
圖5 光耦使用原理圖
INPUT端接傳感器，OUTPUT接處理器端。其中，C3是光耦的外界濾波電阻，輸出端接的上拉電阻保證輸出正向脈沖，發光二極管是一個監控點，每一次輸出脈沖時我們都能看見這個管子閃動。當出現異常時，我們可以根據該發光二極管的狀態診斷是否是傳感器出現問題，從而簡化診斷過程，提高效率。
4.2 多個用戶信號采集
多個用戶信號采集的情況在硬件上只是對單個采集在數量方面的擴展，本設計中的采集器每個可以同時采集16個用戶的信號，使用的8051處理器的P0、P1兩個I/O口被完全占用。具體原理圖可參見圖6。
圖6 采集器多用戶信號采集原理圖
4.3 SSC P300 與P111的接口電路
SSC P300和P111以及上面第一節提及的變壓器，是配套使用的，P111是一個整形放大Chirp波的放大器，和數據的緩沖器，它可以配合INTELLON的其他載波芯片使用，如SSC P300的早期產品SSC P200，和SSC P300的后續產品SSC P485，單是其本身并沒有邏輯功能，具體的調制解調功能都要在SSC P300種完成。下面介紹SSC P300與SSC P111發送和接收數據的情況，原理圖參看圖7。
圖7 SSC P300與P111通訊原理圖
從圖中可見，從P111發送數據給SSC P300時，要通過濾波、放大、整形，而SSC P300發送數據給P111時，也要通過整形，濾波，放大。
5 系統改進的方向和可能采取的技術手段
經過對研究工作的總結，本系統的設計的還存在許多需要改進的地方，由于采用配套的變壓器，所以難以應對不同的電網。通訊芯片和處理器的固定使得通訊距離和通訊速率據現在比較低的水平。面對更高級別的網絡需要難以實現。
另外，在設計中，智能家庭網絡的強大功能只能看到簡單的模型，只是完成了其最基本的網絡互聯功能，其它的對各種電器的管理、連接互聯網功能等都還沒有實現，這些都有待日后對系統的不斷改進和完善。所以，只有依靠研發人員的不懈努力，依靠科技技術的不斷進步，才能推動具有中國特色的家庭網絡系統的更新和進步。
參考文獻：
[1]黃芝平，李鵬，鐘曉鵬 基于網格編碼調制(TCM) 的維特比譯碼實現[J]. 電子質量，2001 ，12 :84-87
[2]楊宇 COFDM技術運用于高壓電力線高速載波通信傳輸模塊的DSP 實現[D]1 武漢:武漢大學，2004，1
[3]Radford D. Spread-Spectrum Data Leap Thhrough AC Power Wiring. IEEE Spectrum， 1996:51-54
[4]毛婕 基于OFDM的電力線數據傳輸通信系統[J] 華北電力大學學報 2002 ，29(4) :80-83
[5]何海波，周擁華，吳聽，張有兵，J.NGUIMBIS 低壓電力線載波通信研究與應用現狀 2001，7:25-27
[6]馬宏鋒，陳金鵬 低壓電力線載波系統中的抗干擾措施 蘭州工業高等專科學校學報 2001，3 (8):12-16.
“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”
關鍵詞：電力載波，單片機，采集器
中圖分類號：TP32 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)12-21670-03
On Intelligent Home Power Line Carrier Data Acquisition Design
WANG Quan
(SonTan College of Guangzhou University,Guangzhou 511370,China)
Abstract：The power line carrier communication technology can utilize the power line of low voltage to carry on data communication , not needing to set up the special-purpose cable again , the realization for the long-range data gathering and communication system offers very great convenience. This design is on the basis of using the power line as the communication medium, and we discussed the applications of a part of the family intelligence network—automatic metering system in community. The main research object of this design emphasizes on the most basic unit in the entire communication system—collecting.
Key words：power line carrier;MCU;collecting
1 引言
隨著科技的進步和人民生活水平的不斷提高，住宅智能化在當今生活中顯得日益重要起來。但是由于現有布線網絡和監控、通訊、保安、管理等設備都是針對大型高層樓宇的，價格高，且難以在建成的住宅中使用，所以人們找尋并開發了一種簡單有效且經濟的方案。
電力網是一個近乎天然、入戶率絕對第一的物理網絡. 由于電力線機械強度高, 可靠性好, 用于通信不需要線路的基礎建設投資和日常的維護費用, 因此電力線通信具有較高的經濟性和可靠性, 在電力系統的調度通信、生產指揮、行政業務通信以及各種信息傳輸方面可以發揮重要作用。低壓電力線載波通信技術能夠利用低壓電力線進行數據通信,不需要再架設專用電纜,給遠程數據采集及通信系統的實現提供了很大的方便。
本設計就是在電力線為通訊介質的前提下，探討了家庭智能網絡的一部分應用——小區自動抄表系統。研究對象的側重點是整個通訊系統中的最基本單元——采集器。
雖然電力載波技術不論在歐洲、北美等地區還是國內在“最后一公里”接入，以及構建“智能家庭”中都有較快的進展，具有良好的發展前景。但是相對傳統電信技術而言是一個新生兒，有很多不完善的地方。在技術、相關標準、合作組織、市場推廣、贏利模式和產業鏈的形成等方面面臨眾多的挑戰，該技術的成功推廣需要多方面的努力。
2 數據采集器
自動抄表系統主要由三大主要硬件單元構成——數據采集器，集中器，中心服務器。數據采集器是整個通訊網絡的最基本單元，它主要負責的是對單個電表的數據進行采集，并且將每個用戶的數據分別存儲，然后當接收到集中器的命令時，將用戶數據發送給集中器，數據采集器不單可以把數據傳輸給集中器，而且可以將數據通過紅外線通訊方式，把數據傳輸給相配套的掌上電腦。這樣不僅使得數據得到更有效的保存，而且大大增強了整個系統的靈活性和可擴展性。當然，數據采集器還要在面對很多意外情況下仍然保證數據的準確可靠：
2.1 保證在突然停電的情況下，數據仍然正確保存
采用了IIC總線的EEPROM芯片進行數據存儲，這種芯片的最大特點就是能利用旁接的大電容供應微小電流的情況下，完好保存數據，而由于該種芯片本身需要電流非常微小，加上足夠大的電容之后，可以使得數據的保存達到2天以上，完全可以應對停電帶來的不便。
2.2 在電表傳感器傳輸的信號有毛刺或者抖動時，正確識別信號
采取軟硬結合的方法進行濾波，消除干擾，硬件上我們是信號進入處理器之前，我們使用光耦遠見，保證輸入的脈沖信號不對毛刺進行識別，而且輸入的脈沖信號都是寬度相同的脈沖信號，這也為軟件設計提供了良好的工作環境；軟件上，我們對多路信號進行實時判斷，在每個采集器所監控的16個用戶單元中任意一個信號發生改變，處理器都會馬上得知，并判斷出信號的對應用戶進而將信號存儲在正確的單元。
2.3 不同時段按不同費率紀錄
由于電力系統越來越復雜，收費標準越來越細化，我們會將用電的不同時段給予不同的費率，因此數據采集器自身必須要能正確判斷時段，并加以分類存儲，我們采用了IIC總線的時鐘芯片進行管理，以實現該任務，時鐘芯片可以有很多種工作方式，我們主要使用了時鐘芯片的定時報警功能，在兩個不同時段的交界處，我們預先設置時鐘芯片發出報警信號，處理器在接受到信號后馬上對自身進行調整，在進入下一時段的用戶信息加以不同的標注，這樣就達到了分時段管理的目的。
2.4 統一較時
由于不同時鐘芯片隨著工作時間的推移，在不同環境下產生的溫度漂移現象就會越來越突出，這會使得數據采集器“各自為政”，產生的誤差將日積月累，變得無法控制，進而不能公平準確的記錄，而實現每個數據采集器擁有正確的時間是非常重要的。我們采用了定期由集中器發出統一指令，讓數據采集器統一校準時間，這個辦法可以很好的解決這一時間問題。
3 采集器的硬件設計原理
3.1 電源部分
本設計中的供電部分都是從電力線變壓而來的，而除了供應數字電路和模擬電路的+5V電壓之外，SSC P300還需要-5V的輸入電壓，我們首先使用了一個降壓整流電路，將電力線的220V交流電降壓，并整流為直流電，圖1為降壓的原理圖。
PS1為過電流保護的保險絲，CNB是壓敏保護器，電容CX和R167構成一個濾波器，濾掉電力線上的諧波，WZ是與SSC P300配套使用的變壓器，在經過C68和C61濾波之后，在PL端輸出的是帶有Chirp波的降壓信號，這個信號將被傳輸到SSC P111芯片將帶有Chirp波信號的電壓輸入在解調成原來的數字信號之前，進行發大和整形，使得Chirp信號更加突出。與220V電力線并聯的DY-5，DY-9和DY-6，DY-8分別將作為整個電路板上所有元件供電的來源。兩組分別為模擬電路部分和數字電路部分供電。下面分別進行介紹。
圖1 降壓原理圖
3.2 模擬部分供電
模擬部分供電需要+5V直流電源，我們采用了非常常規的、成熟的降壓整流電路來完成，具體原理圖見圖2所示。
在這里，我們首先在DY-5，DY-9之間放置一個穩壓管TVS51，對電源過壓保護，然后通過BD51橋電路進行整形，將交流電源變成直流電源，通過C45和C54的高低濾波后，通過MC7805將輸出電壓變為直流的+5V，通過C55和C46的在此濾波，在AVCC端和AGND端得到穩定的+5V直流電壓源，這個電壓源將作為模擬電流的供電電源。
圖2 模擬部分供電部分原理圖
3.3 數字電路供電
數字電路部分供電電源與模擬部分略有不同，不過同樣使用的是以橋整形電路配合穩壓管產生+5V和-5V的輸出電源。具體原理圖見圖3所示。
圖3 數字電路部分供電電源原理圖
圖中MC7905T輸出為-5V電壓源。另外，由于SSC P300還額外需要一個+5V的驅動電壓，我們采用了從VCC隔離出另一個+5V的C_VCC，具體電路原理圖如圖4所示。
4 用戶信號采集部分
4.1 單個用戶信號采集部分
用戶電表的數據是通過傳感器采集脈沖信號，不同的電表有不同信號產生方式。現在使用的電表由兩種形式，一種式機械式，另一種是電子式。機械式電表的傳感器原理十分簡單，就是在機械旋轉表盤的盤面上打一個小孔，然后再在孔的垂直上方安一個紅外線發射器，發射連續的紅外線，小孔垂直下方放一個紅外線接收器，在接收到紅外信號的時候，接收器被激活，激活期間發出5V的高電平信號，當電表正常運行的時候，機械表盤不停的旋轉，旋轉一圈過程中，小孔到達正確位置的時候，傳感器的接收器部分發出高電平信號，作為一次記錄的信號，并將這個信號傳遞到采集器加以處理。
圖4 +5V電壓驅動
由于小孔非常小，而且表盤的旋轉速度可能比較快，因此這個高電平的維持時間可能非常短暫，但是我們不可以把這個信號脈沖信號而直接使用，因為由于孔的大小不同，紅外發生器和接收器的安裝高度也不會完全一致，另外因為用戶用電功率的不同會導致電表表盤的旋轉速度不同，所以發出的高電平信號不是等寬度的信號。
因此，我們采用光耦元件對信號進行處理，該元件的特點是可以將信號的上升沿和下跳沿進行微分，變成兩個間隔時間和高電平信號時間相等的脈沖信號傳遞給處理器。處理器接收到第二個脈沖時候，會將該用戶的用電信息記錄一次。圖5給出光耦使用原理圖：
圖5 光耦使用原理圖
INPUT端接傳感器，OUTPUT接處理器端。其中，C3是光耦的外界濾波電阻，輸出端接的上拉電阻保證輸出正向脈沖，發光二極管是一個監控點，每一次輸出脈沖時我們都能看見這個管子閃動。當出現異常時，我們可以根據該發光二極管的狀態診斷是否是傳感器出現問題，從而簡化診斷過程，提高效率。
4.2 多個用戶信號采集
多個用戶信號采集的情況在硬件上只是對單個采集在數量方面的擴展，本設計中的采集器每個可以同時采集16個用戶的信號，使用的8051處理器的P0、P1兩個I/O口被完全占用。具體原理圖可參見圖6。
圖6 采集器多用戶信號采集原理圖
4.3 SSC P300 與P111的接口電路
SSC P300和P111以及上面第一節提及的變壓器，是配套使用的，P111是一個整形放大Chirp波的放大器，和數據的緩沖器，它可以配合INTELLON的其他載波芯片使用，如SSC P300的早期產品SSC P200，和SSC P300的后續產品SSC P485，單是其本身并沒有邏輯功能，具體的調制解調功能都要在SSC P300種完成。下面介紹SSC P300與SSC P111發送和接收數據的情況，原理圖參看圖7。
圖7 SSC P300與P111通訊原理圖
從圖中可見，從P111發送數據給SSC P300時，要通過濾波、放大、整形，而SSC P300發送數據給P111時，也要通過整形，濾波，放大。
5 系統改進的方向和可能采取的技術手段
經過對研究工作的總結，本系統的設計的還存在許多需要改進的地方，由于采用配套的變壓器，所以難以應對不同的電網。通訊芯片和處理器的固定使得通訊距離和通訊速率據現在比較低的水平。面對更高級別的網絡需要難以實現。
另外，在設計中，智能家庭網絡的強大功能只能看到簡單的模型，只是完成了其最基本的網絡互聯功能，其它的對各種電器的管理、連接互聯網功能等都還沒有實現，這些都有待日后對系統的不斷改進和完善。所以，只有依靠研發人員的不懈努力，依靠科技技術的不斷進步，才能推動具有中國特色的家庭網絡系統的更新和進步。
參考文獻：
[1]黃芝平，李鵬，鐘曉鵬 基于網格編碼調制(TCM) 的維特比譯碼實現[J]. 電子質量，2001 ，12 :84-87
[2]楊宇 COFDM技術運用于高壓電力線高速載波通信傳輸模塊的DSP 實現[D]1 武漢:武漢大學，2004，1
[3]Radford D. Spread-Spectrum Data Leap Thhrough AC Power Wiring. IEEE Spectrum， 1996:51-54
[4]毛婕 基于OFDM的電力線數據傳輸通信系統[J] 華北電力大學學報 2002 ，29(4) :80-83
[5]何海波，周擁華，吳聽，張有兵，J.NGUIMBIS 低壓電力線載波通信研究與應用現狀 2001，7:25-27
[6]馬宏鋒，陳金鵬 低壓電力線載波系統中的抗干擾措施 蘭州工業高等專科學校學報 2001，3 (8):12-16.
“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”
