基于電力線載波通信的地下室門(mén)禁信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)與研究

赫修杰

摘 要基于電力線載波（簡(jiǎn)稱PLC）通信的地下室門(mén)禁信號(hào)采集裝置利用過(guò)零點(diǎn)PLC通訊和可預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持CSMA等技術(shù)滿足地下室門(mén)禁信號(hào)的可靠采集，同一臺(tái)區(qū)下增加采集器可將地下室門(mén)禁的安防信號(hào)傳至小區(qū)物業(yè)服務(wù)器。

【關(guān)鍵詞】地下室門(mén)禁信號(hào)采集 過(guò)零點(diǎn)PLC通訊 可預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持CSMA

1 引言

目前安防系統(tǒng)的報(bào)警信息（如煙氣、煤氣、門(mén)磁、紅外探測(cè)等）可采用無(wú)線（射頻、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)）或?qū)Ｓ眯盘?hào)線傳輸方式。射頻傳輸不能滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊螅绕洚?dāng)收、發(fā)模塊之間有障礙物時(shí)，傳輸距離會(huì)大大減小；在很多區(qū)域手機(jī)網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋，不能實(shí)現(xiàn)傳輸；專用信號(hào)線傳輸方式需要布線，當(dāng)收、發(fā)模塊之間距離遠(yuǎn)、障礙多時(shí)，布線比較困難。

利用PLC通信采集地下室門(mén)禁信號(hào)，解決了很多小區(qū)的地下室的上述問(wèn)題問(wèn)題。通過(guò)過(guò)零點(diǎn)PLC通訊和可預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持CSMA大大增加了可覆蓋的區(qū)域，可廣泛應(yīng)用于樓宇間安防信號(hào)的傳輸。

2 采集裝置的總體方案設(shè)計(jì)

PLC通信門(mén)禁信號(hào)采集裝置，包括載波發(fā)送裝置和載波接收裝置，載波發(fā)送裝置通過(guò)電力線與載波接收裝置相連接；載波發(fā)送裝置采集門(mén)禁系統(tǒng)信號(hào)經(jīng)電力線傳輸給載波接收裝置，載波接收裝置的輸出接與之配套使用的安防報(bào)警系統(tǒng)。

2.1 門(mén)禁信號(hào)采集裝置硬件設(shè)計(jì)

PLC通信門(mén)禁信號(hào)采集發(fā)送裝置和接收裝置在硬件電路設(shè)計(jì)上是基本是一致的，區(qū)別在軟件設(shè)計(jì)。因此在這里只介紹PLC收發(fā)裝置硬件設(shè)計(jì)的通用核心部分，主要為PL4000主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和載波收發(fā)單元電路設(shè)計(jì)。其中載波芯片為控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子功能模塊間的協(xié)調(diào)，核心指令和功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 門(mén)禁信號(hào)采集裝置主控制電路設(shè)計(jì)

門(mén)禁信號(hào)采集裝置主控制系統(tǒng)的處理器為福星曉程公司的PL4000芯片，該芯片采用BDPSK調(diào)制方式和直序擴(kuò)頻技術(shù)，載波中心頻率為120KHz，偽隨機(jī)碼速率為7.5KHz。PL4000提供的過(guò)零點(diǎn)通信方式，數(shù)據(jù)速率為100bps，載波發(fā)送起始時(shí)刻可由軟件靈活控制，能夠有效避開(kāi)信道上噪聲最惡劣的時(shí)刻，提高通信質(zhì)量，同時(shí)也有利于相位的甄別。

PLC通信門(mén)禁信號(hào)采集裝置的主控制系統(tǒng)由處理器、晶振電路、電源模塊以及上電復(fù)位電路等構(gòu)成，主控系統(tǒng)在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵，它是應(yīng)用系統(tǒng)的內(nèi)核。本系統(tǒng)的外部時(shí)鐘模塊選用19.6MHz的石英晶振作為工作頻率。

2.1.2 門(mén)禁信號(hào)采集裝置載波收發(fā)單元電路設(shè)計(jì)

從PL4000輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)能力弱而且還有各種諧波，因此必須經(jīng)過(guò)放大和濾波，然后才能通過(guò)耦合電路將信號(hào)調(diào)制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離，以防止高壓擊穿通信電路。同樣，從電力線來(lái)的載波信號(hào)又要由PL4000接收，而電力線上的干擾信號(hào)很不確定且非常復(fù)雜，所以需要一個(gè)帶通濾波器，通過(guò)87.2kHz～135.6kHz之間的信號(hào)（本系統(tǒng)采用120kHz載頻），經(jīng)過(guò)預(yù)放大后再送到PL4000的接收端。

2.2 門(mén)禁信號(hào)采集裝置軟件設(shè)計(jì)

由于地下室門(mén)禁信號(hào)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此PLC通信門(mén)禁信號(hào)采集發(fā)送端裝置軟件設(shè)計(jì)的難度在于滿足PLC通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求，主要解決小區(qū)內(nèi)多個(gè)同頻PLC通信門(mén)禁信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)臎_突避開(kāi)機(jī)制。主要表現(xiàn)在所發(fā)送的數(shù)據(jù)在可確定的時(shí)延內(nèi)送達(dá)，該軟件設(shè)計(jì)使用的是可預(yù)測(cè)P堅(jiān)持CSMA算法，算法原理是：假如介質(zhì)當(dāng)前有多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要占用信道，或者已經(jīng)發(fā)生多次沖突，可預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持CSMA算法則可根據(jù)當(dāng)前的負(fù)荷量來(lái)判斷發(fā)送數(shù)據(jù)可能碰撞的可能性。當(dāng)前沖突次數(shù)多，則自動(dòng)減小P值，否則增大P值。這種算法在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用先偵聽(tīng)信道是否空閑，若空閑則以概率p發(fā)送，否則以概率（1-p）延時(shí)一段時(shí)間（端到端的傳播時(shí)延），重新偵聽(tīng)信道，因而，要提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性需要解決的問(wèn)題就是：

（1）減少線路等待時(shí)延；

（2）避免沖突；

（3）沖突發(fā)生時(shí)的快速恢復(fù)。

可預(yù)測(cè)P堅(jiān)持CSMA在一定程度上解決了上述問(wèn)題。下面詳細(xì)的分析其實(shí)時(shí)性。

下面考慮一個(gè)最典型的情況：假設(shè)該采集裝置安裝在了一個(gè)變壓器下的兩棟33層的樓，每棟樓兩個(gè)單元，每個(gè)單元都是兩梯四戶，每戶有一個(gè)地下室，每個(gè)地下室都安裝一套門(mén)禁信號(hào)采集發(fā)送裝置，則兩棟樓共528戶，設(shè)防狀態(tài)下地下室門(mén)被同時(shí)打開(kāi)的最大概率為0.05，則同時(shí)打開(kāi)地下室門(mén)的用戶為27戶。

若設(shè)R為隨機(jī)時(shí)隙數(shù)，R≥8，即網(wǎng)絡(luò)的最小隨機(jī)時(shí)隙數(shù)為8，D為網(wǎng)絡(luò)上將發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)目，即預(yù)約交通量，典型D∈〔1，27〕，則P表現(xiàn)為：

由此可見(jiàn)，隨著D的增大，隨機(jī)時(shí)隙數(shù)增加，P減小。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)刻只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，通常，D≤信道上節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。當(dāng)考慮極端情況時(shí)，一個(gè)時(shí)刻所有的節(jié)點(diǎn)同時(shí)請(qǐng)求發(fā)送，則D即為信道上節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。此時(shí)，由于程序已經(jīng)分配了足夠的隨機(jī)時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸基本不會(huì)發(fā)生沖突，網(wǎng)絡(luò)以接近最大的吞吐量工作。只是數(shù)據(jù)的發(fā)送產(chǎn)生了一定的時(shí)延。

3 結(jié)論

本文提出的基于PLC通信的地下室門(mén)禁信號(hào)采集裝置解決了地下室門(mén)禁安防信號(hào)難以上傳至安防或智能家居系統(tǒng)的問(wèn)題，對(duì)解決地下室防盜具有實(shí)際意義。

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作者單位

河北金利康科技集團(tuán)有限公司 河北省石家莊市 050021