基于高速電力載波的智能火箱的研究

覃炎潔，董芳針，尉學(xué)軍，盧家暄*（.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽，55005；.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州貴陽，55005）

基于高速電力載波的智能火箱的研究

覃炎潔1，董芳針1，尉學(xué)軍2，盧家暄*2
（1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽，550025；2.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州貴陽，550025）

針對傳統(tǒng)電火箱不能自動控制，且存在諸多安全隱患，設(shè)計了一種以PL3200的電力載波芯片為核心的智能安全電火箱，并結(jié)合DSP技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。首先介紹以DS18B20溫度傳感器、MT9V111圖像傳感器和MOC3041光電隔離器為元件的DSP外圍電路，重點展示了電力載波模塊中的耦合電路、濾波電路、放大電路的設(shè)計，并對其合理性進行分析。仿真結(jié)果表明，信號能在室內(nèi)電力線中可靠傳輸，可以實現(xiàn)對電火箱的智能控制。

電力載波技術(shù)；DSP技術(shù)；傳感器；光電耦合

0　前言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、“大數(shù)據(jù)”、“智能家居”、“物聯(lián)網(wǎng)”等新概念的出現(xiàn)，以及電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對家居設(shè)備信息化、智能化的需求越來越大，且呈現(xiàn)多樣性的趨勢。海量數(shù)據(jù)的交換、處理、存儲、掘新成為當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)亟待解決的課題。依托無處不在的電力線網(wǎng)絡(luò)，具有高速傳輸速率的電力線載波通信技術(shù)成為了眾多研究機構(gòu)的探討熱點。

針對以上狀況，以窄帶電力載波技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力，對智能安全電火箱進行研究，既實現(xiàn)了電火箱的自動控制，又體現(xiàn)了家居智能化的可能性。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的火箱性能低，火箱的自動化控制能力弱，不能自動調(diào)節(jié)溫度和自動開、關(guān)，大多采用簡單的保護模塊以及繼電器控制，產(chǎn)品安全系數(shù)也不高。以室內(nèi)已有的電力線為傳輸媒介，實現(xiàn)DSP和主監(jiān)控器的雙向通信，既能對電火箱進行實時控制，又能使家用電器設(shè)備智能控制系統(tǒng)化。能減少了室內(nèi)布線，節(jié)約成本，符合家居生活舒適化、安全化、智能化的要求。

1　設(shè)計要求

利用室內(nèi)電力線傳輸信號，實現(xiàn)電火箱的智能化控制，必須保證狀態(tài)信號采集準(zhǔn)確，傳輸穩(wěn)定，失真小，且對其他通信設(shè)備影響小。其次要盡可能降低能耗、制造成本，更要有利于其他家電設(shè)備的系統(tǒng)化管理。因此，本文采取以下措施：

1）使用DSP對傳感器采集的狀態(tài)信號進行二次處理，便于載波芯片對信號進行調(diào)制，同時也將電火箱的通斷執(zhí)行單元與載波模塊隔離，減小負(fù)載對載波模塊調(diào)制/解調(diào)的影響；

2）載波模塊設(shè)計中，用耦合電路隔離50HZ工頻同步的噪聲干擾，降低信號的失真度，帶內(nèi)的衰減小于3dB，帶外衰減大于40dB，且?guī)?nèi)衰減曲線平坦，以減小對其他設(shè)備的干擾；

3）利用主監(jiān)控系統(tǒng)對電火箱的通斷進行控制，便于其他電力設(shè)備實現(xiàn)智能化控制后，采用室內(nèi)電力線傳輸通信，能統(tǒng)一控制，實現(xiàn)家用設(shè)備管理的自動化、系統(tǒng)化。

2　系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)智能安全的運行主要依靠電力線載波模塊、DSP芯片、主監(jiān)控器等得以實現(xiàn)。傳感器采集的狀態(tài)信號在DSP芯片中進行壓縮、編碼，再經(jīng)電力載波模塊濾波、耦合到室內(nèi)電力線上，傳輸給主監(jiān)控器，然后再將主監(jiān)控器下達(dá)的指令信號傳回給DSP，從而控制火箱的通斷和溫度調(diào)節(jié)。

3　DSP外圍電路

DSP通過I/O口將傳感器采集的信息傳入，再由HPI接口與載波芯片進行信息交換，最后將主監(jiān)控器下達(dá)的指令通過I/O在光電耦合器上執(zhí)行。

3.1傳感器接入電路。傳感器接入部分選用MT9V111傳感器和DS18B20傳感器分別進行圖像信號和溫度數(shù)據(jù)的采集。為了防止空讀，減少DSP讀取數(shù)據(jù)時中斷次數(shù)，在圖像傳感器和DSP芯片之間加入數(shù)據(jù)緩存儲器FIFO，圖像傳感器像素輸出時鐘為存儲器提供寫時鐘，而DSP為存儲器提供讀時鐘。

3.2光電耦合器電路。采用MOC3041光電耦合器芯片進行光電隔離。為了減小電火箱接通后對電力線的影響，使用過零檢測電路控制晶閘管過零觸發(fā)。當(dāng)DSP的I/O口輸出低電平時，電耦合器內(nèi)部的發(fā)光二極管導(dǎo)通，接通交流負(fù)載，電火箱開始工作。當(dāng)輸出高電平時，MOC3041內(nèi)部的發(fā)光二極管截止，內(nèi)部雙向晶閘管關(guān)斷，從而外部交流負(fù)載被關(guān)斷，電火箱停止工作。

4　電力載波模塊硬件電路設(shè)計

電力載波模塊選用的載波芯片是PL3200，內(nèi)置擴頻通信調(diào)制/解調(diào)電路，采用直接序列擴頻通信方式。當(dāng)DSP二次處理后的的狀態(tài)信號傳輸?shù)诫娏d波模塊后，先通過PL3200芯片對信號進行調(diào)制，然后由功率放大電路將信號放大，再利用耦合電路將信號耦合到電力線上進行傳輸。待下一個載波模塊在接受到電力線上的信號后，先解耦、濾波，再由PL3200芯片解調(diào)得到狀態(tài)信號，最后將其輸送到主監(jiān)控器中。主監(jiān)控器發(fā)出的指令信號也通過同樣的方式返回到DSP上。

4.1電容耦合電路。耦合方式有電容耦合和電感耦合，電感耦合產(chǎn)生的信號耦合衰減較大，所以選用電容耦合的方式。電路圖如圖1所示，高頻電容C5與電阻R3構(gòu)成了一階高通濾波器，濾除載波信號中的低頻信號和偽信號，保證有用信號通過，提供盡可能小的衰減和線性幅頻、相頻特性。

圖1　耦合電路圖

由于PL3200的中心頻率為120kHZ，工作頻帶在70kHZ—170kHZ的范圍內(nèi)，所以截止頻率設(shè)為60kHZ，取C5=0.0047μF，得到R3=570Ω，R1為C10的卸荷電阻，通常取20ΜΩ。圖2為該耦合電路進行強、弱電分離和分壓端的高通濾波性能示意圖，允許60kHZ以上高頻信號通過，通帶衰減小于3dB。

圖2　耦合電路圖性能測試圖

圖3　帶通濾波電路圖

4.2帶通濾波電路。載波信號接收端的耦合電路還夾雜有工頻諧波和寬頻帶噪聲，為了更好的將信號還原，還需進行二次濾波，圖3是根據(jù)本文的實際需求設(shè)計的無源巴特沃斯帶通濾波器。IN5758用來消除來自電力線上高強度信號的干擾，防止在輸入到載波芯片的電壓過高而損毀載波芯片。而帶通濾波器，用來消除來自電力線上的帶外干擾噪聲，保證前后級之間阻抗匹配，使信號能順利傳遞。

通帶的上下截頻率分別為fp1=70kHZ，fp2=170kHZ，通帶范圍內(nèi)衰減在3dB范圍內(nèi)。阻帶上下截至頻率分別為fS1=50kHZ，fS2=255kHZ阻帶衰減為40dB，帶通濾波電流的測試結(jié)果如圖4所示。

圖4　帶通濾波電路測試圖

由圖4可以看出，圖 （a）和圖 （d）在截止頻率50kHZ—255 kHZ處，阻帶衰減均達(dá)到50dB以上，比預(yù)期效果要好。由圖（b）和圖（c）可知，寬帶載波耦合裝置的帶通濾波網(wǎng)絡(luò)的通頻帶為70kHZ—170kHZ，帶內(nèi)工作衰減基本平坦，紋波小于3dB，可見濾波電路的頻譜特性是符合載波通信的要求的，對帶外的信號有較強的抑制作用，符合本設(shè)計的要求。

4.3功率放大電路

圖5中的放大電路由四個三極管構(gòu)成，其輸出級是一個推挽直流偏置電路，保證信號輸入時直接進入放大區(qū)，也克服了交越失真。串聯(lián)的L14和C20構(gòu)成一個簡單的帶通濾波器，可以對放大后的信號進行一個初步的濾波。信號耦合變壓器T1和電容C13構(gòu)成了高通濾波器，進一步濾波，并將高電壓的工頻交流電與載波模塊隔離。

圖5　功率放大電路圖

圖6為正弦波信號通過功率放大電路前后的波形的對比圖，A通道為信號的輸入，B通道為信號輸出，從圖中可以看出通過功率放大電路后的信號放大了1.1倍，同樣信道中的噪聲干擾信號也會放大，所以需要對其進行濾波。

圖6　功率放大電路仿真圖

5　總結(jié)

在電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展的過程中，數(shù)字家電越來越普及，智能家居也成為未來智能電網(wǎng)發(fā)展的一個重要趨勢。本文基于窄帶電力載波的智能安全火箱的研究，利用DSP強大的數(shù)據(jù)采集和處理能力，使數(shù)字運算準(zhǔn)確、快捷，能夠滿足實時要求。而電力載波技術(shù)的運用，讓主監(jiān)控器能通過室內(nèi)以有的電力線網(wǎng)絡(luò)來控制電火箱，實現(xiàn)對電火箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到自動化管理的目的，是家用電器設(shè)備智能化的一個重要體現(xiàn)。監(jiān)控器控制還可以接收其他電子產(chǎn)品的信息，通過同樣的方式發(fā)送指令控制家中的其他電器，使家用電器的管理更加系統(tǒng)化，這將會成為未來家居生活的一個重要發(fā)展趨勢。

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A Smart Firebox Based on High-speed power line carrier

Qin Yanjie1，Dong Fangzhen1，Wei Xuejun2，Lu Jiaxuan*2
（1.College of Electrical Engineering， Guizhou University，Guiyang，550025，China）
（2.College of Big Data and Information Engineering， GuizhouUniversity，Guiyang，550025，China）

Traditional electrical fireboxes with many security risks can not automatically adjust temperature.Based on it，a smart security electrical firebox centred on the PL3200 carrier chip was designed.and combining with the advanced DSP technology to achieve remote control.firstly authors designed the peripheral circuit of DSP by using DS18B20 temperature sensors，MT9V111 image sensor and MOC3041 photoisolator.Highlight the design of coupling circuit，filter circuit，and amplifier circuit in the power line carrier module，and analyse its reasonableness.The simulation results show that the signal can be reliably transmitted by power line，and the electrical firebox can be controlled intelligently.

power line carrier technology；DSP technology；sensors；photocoupling

TN98；

A

省科技廳國際合作項目（Z103080）

覃炎潔（1992—），女，碩士研究生，主要研究方向： 電力電子信息技術(shù)