基于電力線載波通信的地下室門禁信號采集裝置的設(shè)計與研究

赫修杰

摘 要基于電力線載波（簡稱PLC）通信的地下室門禁信號采集裝置利用過零點PLC通訊和可預(yù)測P-堅持CSMA等技術(shù)滿足地下室門禁信號的可靠采集，同一臺區(qū)下增加采集器可將地下室門禁的安防信號傳至小區(qū)物業(yè)服務(wù)器。

【關(guān)鍵詞】地下室門禁信號采集 過零點PLC通訊 可預(yù)測P-堅持CSMA

1 引言

目前安防系統(tǒng)的報警信息（如煙氣、煤氣、門磁、紅外探測等）可采用無線（射頻、手機網(wǎng)絡(luò)）或?qū)Ｓ眯盘柧€傳輸方式。射頻傳輸不能滿足遠距離傳輸?shù)囊?，尤其當收、發(fā)模塊之間有障礙物時，傳輸距離會大大減小；在很多區(qū)域手機網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋，不能實現(xiàn)傳輸；專用信號線傳輸方式需要布線，當收、發(fā)模塊之間距離遠、障礙多時，布線比較困難。

利用PLC通信采集地下室門禁信號，解決了很多小區(qū)的地下室的上述問題問題。通過過零點PLC通訊和可預(yù)測P-堅持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的傳輸。

2 采集裝置的總體方案設(shè)計

PLC通信門禁信號采集裝置，包括載波發(fā)送裝置和載波接收裝置，載波發(fā)送裝置通過電力線與載波接收裝置相連接；載波發(fā)送裝置采集門禁系統(tǒng)信號經(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警系統(tǒng)。

2.1 門禁信號采集裝置硬件設(shè)計

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

2.1.1 門禁信號采集裝置主控制電路設(shè)計

門禁信號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)制方式和直序擴頻技術(shù)，載波中心頻率為120KHz，偽隨機碼速率為7.5KHz。PL4000提供的過零點通信方式，數(shù)據(jù)速率為100bps，載波發(fā)送起始時刻可由軟件靈活控制，能夠有效避開信道上噪聲最惡劣的時刻，提高通信質(zhì)量，同時也有利于相位的甄別。

PLC通信門禁信號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)的外部時鐘模塊選用19.6MHz的石英晶振作為工作頻率。

2.1.2 門禁信號采集裝置載波收發(fā)單元電路設(shè)計

從PL4000輸出的信號幅度小、驅(qū)動能力弱而且還有各種諧波，因此必須經(jīng)過放大和濾波，然后才能通過耦合電路將信號調(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，從電力線來的載波信號又要由PL4000接收，而電力線上的干擾信號很不確定且非常復(fù)雜，所以需要一個帶通濾波器，通過87.2kHz～135.6kHz之間的信號（本系統(tǒng)采用120kHz載頻），經(jīng)過預(yù)放大后再送到PL4000的接收端。

2.2 門禁信號采集裝置軟件設(shè)計

由于地下室門禁信號對實時性要求較高，因此PLC通信門禁信號采集發(fā)送端裝置軟件設(shè)計的難度在于滿足PLC通信網(wǎng)絡(luò)的實時性要求，主要解決小區(qū)內(nèi)多個同頻PLC通信門禁信號同時傳輸?shù)臎_突避開機制。主要表現(xiàn)在所發(fā)送的數(shù)據(jù)在可確定的時延內(nèi)送達，該軟件設(shè)計使用的是可預(yù)測P堅持CSMA算法，算法原理是：假如介質(zhì)當前有多個節(jié)點需要占用信道，或者已經(jīng)發(fā)生多次沖突，可預(yù)測P-堅持CSMA算法則可根據(jù)當前的負荷量來判斷發(fā)送數(shù)據(jù)可能碰撞的可能性。當前沖突次數(shù)多，則自動減小P值，否則增大P值。這種算法在發(fā)送數(shù)據(jù)時采用先偵聽信道是否空閑，若空閑則以概率p發(fā)送，否則以概率（1-p）延時一段時間（端到端的傳播時延），重新偵聽信道，因而，要提高網(wǎng)絡(luò)實時性需要解決的問題就是：

（1）減少線路等待時延；

（2）避免沖突；

（3）沖突發(fā)生時的快速恢復(fù)。

可預(yù)測P堅持CSMA在一定程度上解決了上述問題。下面詳細的分析其實時性。

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

若設(shè)R為隨機時隙數(shù)，R≥8，即網(wǎng)絡(luò)的最小隨機時隙數(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，隨著D的增大，隨機時隙數(shù)增加，P減小。由于每個節(jié)點在一個時刻只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，通常，D≤信道上節(jié)點的數(shù)目。當考慮極端情況時，一個時刻所有的節(jié)點同時請求發(fā)送，則D即為信道上節(jié)點的數(shù)目。此時，由于程序已經(jīng)分配了足夠的隨機時隙，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸基本不會發(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)生了一定的時延。

3 結(jié)論

本文提出的基于PLC通信的地下室門禁信號采集裝置解決了地下室門禁安防信號難以上傳至安防或智能家居系統(tǒng)的問題，對解決地下室防盜具有實際意義。

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作者單位

河北金利康科技集團有限公司 河北省石家莊市 050021