Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế modem điều khiển thiết bị điệnthông qua mạng lưới điện hạ thế (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế modem điều khiển thiết bị điệnthông qua mạng lưới điện hạ thế (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MODEM ÐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ÐIỆNTHƠNG QUA MẠNG LUỚI ÐIỆNS K C 0 0 3 9 5 HẠ9 THẾ MÃ SỐ: T2014-157 S KC 0 0 5 5 1 8 Tp. Hồ Chí Minh, 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MODEM ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆNTHƠNG QUA MẠNG LƯỚI ĐIỆN HẠ THẾ Mã số: T2014-157 Chủ nhiệm đề tài: ThS. VÕ ĐỨC DŨNG TP. HCM, 11/2014
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ TRƯỜNG THKTTH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MODEM ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆNTHƠNG QUA MẠNG LƯỚI ĐIỆN HẠ THẾ Mã số: T2014-157 Chủ nhiệm đề tài: ThS. VÕ ĐỨC DŨNG TP. HCM, 11/2014
4. DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH 1. ThS. Võ Đức Dũng Chủ nhiệm đề tài 2. Trƣờng Trung học Kỹ thuật Thực hành Đơn vị phối hợp chính
5. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế MỤC LỤC Trang Mục lục i Danh mục các chữ viết tắt ii Thơng tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng việt iii 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu đề tài 1 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1 4. Nội dung nghiên cứu 2 Chương 1: Cơ sở lý luận 3 1.1 Cơng nghệ truyền thơng tin trên đường dây điện lực 3 1.2 Một số ảnh hưởng đối với việc truyền thơng tin trên đường dây điện 4 1.3 Giải pháp truyền tín hiệu trên đường dây điện lực trong và ngồi nước hiện nay 6 1.4 Phân tích và lựa chọn phương án 9 Chương 2: Thiết kế phần cứng 17 2.1 Mạch dao động 17 2.2 Mạch điều chế 20 2.3 Tính tốn thiết kế từng khối 26 Chương 3: Thiết kế phần mềm 50 3.1 Hoạt động điều khiển của MODEM 1 50 3.2 Hoạt động điều khiển của MODEM 2 52 Chương 4: Thực nghiệm 54 4.1 Các bước thi cơng 54 4.2 Các bước thực nghiệm 55 4.3 Thực nghiệm và kết quả 56 4.4 Kết quả dạng sĩng tín hiệu đo đạt bằng OSC 59 5. Kết luận và kiến nghị 63 6. Tài liệu tham khảo 7. Phụ lục Mục lục Trang i
6. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế CÁC CHỮ VIẾT TẮT RF: tần số cao tần SNR: cơng suất thu được /cơng suất nhiễu. PLC: truyền thơng tin trên đường dây điện lực DTE: thiết bị đầu cuối FSK: Điều chế tần số PSK: điều chế pha ASK: điều chế biên độ CC: ghép C chung TTL: họ TTL CP: thiết bị điều khiển đĩng ngắt MODEM: điều chế và giải điều chế Các chữ viết tắt Trang ii
7. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: TRƢỜNG THKTTH Tp. HCM, ngày 01 tháng 11 năm 2014 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thơng tin chung: - Tên đề tài: Nguyên cứu, thiết kế Modem điều khiển thiết bị điện thơng qua mạng lưới điện hạ thế. - Mã số: T2014-157 - Chủ nhiệm: ThS. Võ Đức Dũng - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 01/2014 đến 12/2014 2. Mục tiêu: - Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng MODEM 1 để truyền tín hiệu lên mạng điện dân dụng & nhận dữ liệu để báo hiệu thiết bị đã điều khiển. - Chế tạo MODEM 2 nhận dữ liệu từ MODEM 1 để điều khiển thiết bị điện. 3. Tính mới và sáng tạo: Sản phẩm nghiên cứu ngồi thị trường chưa cĩ triển khai phổ biến 4. Kết quả nghiên cứu: Chế tạo thành cơng 2 Modem truyền và nhận dữ liệu điều khiển thiết bị điện với khoảng cách truyền nhận trên 50m. 5. Sản phẩm: 2 Modem truyền và nhận để điều khiển thiết bị điện. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Kết quả nghiên cứu được ứng dụng để giảng dạy các mơn học: Điện tử cơ bản, kỹ thuật số, vi điều khiển tại trường THKTTH. - Địa chỉ ứng dụng: Bộ mơn điện tử - Tin học - Trường Trung học Kỹ thuật Thực hành. Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đĩng dấu) (ký, họ và tên) Thông tin kết quả nghiên cứu Trang iii
8. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Cơng nghệ truyền thơng tin trên đường dây điện lực PLC (Power Line Communication) mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thơng tin. Với việc sử dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, cơng nghệ PLC cho phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng. Hiện nay các cơng ty, xí nghiệp, các khách sạn cao tần hiện nay cĩ nhu cầu quản lý các thiết bị điện mang tính chất tập trung, tức là làm sao chỉ cần ngồi tại phịng quản lý cĩ thể quan sát được trạng thái hiện tại các thiết bị điện đang mở hay tắt hoặc điều khiển được tất cả các thiết bị điện hiện cĩ. Đối với khách sạn cĩ nhiều tầng, mỗi tầng lại cĩ nhiều phịng thì việc quản lý các thiết bị điện mang tính chất tập trung này càng trở nên rất cần thiết. Đối với việc truyền tín hiệu trong phạm vi nhỏ gọn thì các đường truyền như cáp quang, cáp viba, sử dụng sĩng cao tần đã tỏ ra khơng kinh tế. Trong khi đĩ, mạng lưới điện dân dụng đang cĩ sẵn khắp nơi, giá thành thấp và kinh tế hơn, Vì vậy người nghiên cứu chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế Modem điều khiển thiết bị điện thơng qua mạng lưới điện hạ thế” là cần thiết. 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng MODEM 1 để truyền tín hiệu lên mạng điện dân dụng & nhận dữ liệu để báo hiệu thiết bị đã điều khiển. - Chế tạo MODEM 2 nhận dữ liệu từ MODEM 1 để điều khiển thiết bị điện. 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống mạng lưới điện dân dụng 220V/50Hz. Tần số của tín hiệu thơng tin cần trao đổi khi đưa lên mạng điện dân dụng và khoảng cách mà tín hiệu cĩ thể truyền đến được để điều khiển thiết bị. Hệ thống vi điều khiển. Tính ổn định của MODEM khi hoạt động trong một thời gian dài. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Khoảng cách truyền của bộ giao tiếp khoảng 50 m. Đối tượng truyền là lệnh điều khiển 2 thiết bị Chế tạo một 2 MODEM. Mở đầu Trang 1
9. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế Tốc độ truyền tối đa 1200 bps (bit per second). 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1: Cơ sở lý luận Chương 2: Thiết kế phần mềm Chương 3: Nghiên cứu chế tạo phần cứng Chương 4: Thực nghiệm Mở đầu Trang 2
10. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 Cơng nghệ truyền thơng tin trên đƣờng dây điện lực 1.1.1 Cơng nghệ truyền thơng tin trên đƣờng dây điện lực Cơng nghệ truyền thơng đường điện PLC (Powerline Communication) hay cịn gọi là BPL (Broadband PowerLine): Chỉ cần nối một chiếc modem đặc biệt vào ổ cắm điện 220V, bạn cĩ thể gọi điện thoại, gửi fax, xem tivi số và nghe nhạc trực tuyến chất lượng cao, truy cập Internet tốc độ cực lớn. Hơn nữa, giá cước sử dụng hấp dẫn và bạn khơng phải trả chi phí dẫn cáp quang về tận nhà. Đây khơng phải là chuyện viễn tưởng mà là thực tế, với cơng nghệ PLC đã cĩ mặt tại Việt Nam PLC sử dụng lưới điện hạ thế (từ trạm biến áp đến các hộ gia đình) để truyền thơng tin. Tại các trạm biến áp (vốn cĩ nhiệm vụ chuyển các dịng điện cao thế thành hạ thế và đưa đến hộ tiêu dùng), một modem tốc độ cao HE (HeadEnd) sẽ nối giữa đường hạ thế và hệ thống cáp quang truyền thơng backbone. Nhiệm vụ của modem HE là ''điều chế'' các tín hiệu truyền thơng của cáp quang thành tín hiệu thơng tin cĩ tần số 1,6 - 80 Mhz (tùy vào từng hãng mà sử dụng những dãy tần số khác nhau) để truyền vào lưới điện hạ thế và ngược lại. Các tín hiệu thơng tin sau khi điều chế sẽ được truyền đi song song với tín hiệu điện trên lưới điện hạ thế đến các tồ nhà. Tại đây, một modem PLC (CPE lắp đặt tại gia đình) sẽ nhận các tín hiệu thơng tin, giải điều chế, tái tạo lại tín hiệu thơng tin ban đầu để cĩ thể sử dụng Internet hoặc dùng điện thoại, fax Modem PLC cũng cĩ thể đảo ngược quá trình này để gửi các tín hiệu thơng tin đã điều chế đến modem HE. Như vậy, vấn đề đường truyền băng thơng rộng đã được giải quyết nhờ tận dụng hệ thống đường cáp điện cĩ tiết diện lớn, tốc độ truyền cao gấp nhiều lần so với dây điện thoại cáp đồng nhỏ bé. Các thiết bị truy cập Internet hay sử dụng mạng LAN nội bộ vẫn dùng giao thức IP để giao tiếp, sử dụng cơng nghệ quay số như bình thường để kết nối đến máy chủ Internet. 1.1.2 PLC trên thế giới & lợi ích mang lại cho khách hàng Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 3
11. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế Các modem PLC cho phép nhận và gửi các tín hiệu thơng tin tại các ổ cắm điện trên tường nhà. Như vậy, tồn bộ mạng điện trong tồ nhà sẽ trở thành một mạng LAN truy cập nội bộ. Cung cấp đường truyền tín hiệu băng thơng rộng, khơng phải đi cáp quang đến từng nhà, khai thác khả năng to lớn của mạng điện hiện cĩ, giải quyết vấn đề đưa đường truyền băng thơng rộng đến hộ gia đình. Tiềm năng to lớn cho phép tăng tốc độ truy cập Internet (vượt xa các cơng nghệ hiện cĩ). Hiện tại, cơng nghệ này sử dụng các con chip tốc độ cao 200 Mbps để điều chế thơng tin trong các modem PLC. Việc sử dụng mạng điện hiện cĩ (chiếm tới 90% kết nối của các hộ gia đình) sẽ cho phép phổ cập thơng tin dễ dàng đến mọi vùng, mọi nhà. Chỉ cần cĩ một đường cáp quang backbone nối tới trạm biến áp, cả một khu vực dân cư lớn sẽ cĩ khả năng truy cập Internet băng thơng rộng và các dịch vụ truyền thơng khác. Đây là một giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết vấn đề nút cổ chai tại last mile đối với các dịch vụ băng thơng rộng tới hộ gia đình. Thơng thường gateway của mạng băng thơng rộng hay bị quá tải do gộp dữ liệu nhiều đường thuê bao vào. Dễ dàng cài đặt và triển khai mạng, chỉ cần nối đường cáp quang đến trạm biến áp, lắp modem HE tại trạm, thiết lập hệ thống gateway đưa tới hộ gia đình và lắp modem PLC tại nơi truy cập mạng. Cơng nghệ PLC sẽ là một bước tiến rất quan trọng của nền cơng nghệ thơng tin và truyền thơng của Việt Nam, khắc phục những hạn chế về cơ sở hạ tầng cịn hạn chế, phổ cập các dịch vụ băng thơng rộng đến mọi người dân. Đây sẽ là một cơ hội để nền cơng nghệ truyền thơng Việt Nam theo kịp với tốc độ phát triển chung của khu vực. Hiện nay cơng ty PACIFIC TECHNOLOGY CONSULTING & SERVICES (PTCS) cũng đã nghiên cứu và triển khai thành cơng cơng nghệ này tại trường dạy nghề Tân Thành – Bà Rịa. 1.2 Một số ảnh hƣởng đối với việc truyền thơng tin trên đƣờng dây điện Khi truyền tín hiệu trên đường dây điện lực, đường dây giống như một anten lớn nhận các nhiễu và phát xạ tín hiệu. Khi sử dụng cho ứng dụng truyền thơng tin, quá Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 4
12. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế trình phát xạ cần được xem xét thận trọng. Nhiễu và phát xạ từ đường dây trong nhà các hộ dân cư là một vấn đề cần được chú ý khắc phục bởi nếu các đường dây này khơng được bọc bảo vệ tốt thì sẽ phát xạ mạnh gây ảnh hưởng đáng kể. Một giải pháp khắc phục là sử dụng các bộ lọc chặn tín hiệu truyền thơng. Mặt khác mọi hệ thống truyền thơng luơn cố gắng để đạt được phối hợp trở kháng tốt, nhưng mạng đường dây điện lực chưa thích nghi được với vấn đề này vì trở kháng đầu vào (hay đầu ra) thay đổi theo thời gian đối với tải và vị trí khác nhau, nĩ cĩ thể thấp cỡ mW hay cao tới hàng nghìn W, và thấp một cách đặc biệt tại các trạm con. Một số trở kháng khơng phối hợp khác cĩ thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ do các hộp cáp khơng phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn. SNR là một tham số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thơng: SNR = cơng suất thu được/cơng suất nhiễu SNR càng cao thì truyền thơng càng tốt. Cơng suất nhiễu trên đường dây điện lực là tập hợp tất cả các nhiễu loạn khác nhau thâm nhập vào đường dây và vào máy thu. Các tải được kết nối vào mạng như ti vi, máy tính, máy hút bụi phát nhiễu và truyền bá qua đường dây điện; các hệ thống truyền thơng khác cũng cĩ thể đưa thêm nhiễu vào máy thu. Khi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu, cơng suất tín hiệu sẽ bị suy hao, nếu suy hao quá lớn thì cơng suất thu sẽ rất nhỏ và máy thu khơng tách ra được. Suy hao trên đường dây điện lực rất cao (lên tới 100 dB) làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn. Một giải pháp là sử dụng các bộ lặp đặt tại các hộp cáp để tăng chiều dài truyền thơng. Để cải thiện tỷ số SNR, ta cũng cĩ thể sử dụng các bộ lọc đặt tại mỗi hộ dân, nhưng chi phí cho việc này sẽ rất cao. Đường dây điện lực được xem như một mơi trường rất nhạy cảm với nhiễu và suy hao. Tuy nhiên, các tham số này luơn tồn tại và cũng là những vấn đề luơn cần quan tâm trong mọi hệ thống truyền thơng đang sử dụng hiện nay. Mơ hình truyền thơng đường dây điện lực với các tham số (trở kháng khơng phối hợp, suy hao, nhiễu) thay đổi theo thời gian được trình bày trong hình 1.2. Mọi yếu tố Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 5
13. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế gây suy giảm ngoại trừ nhiễu được chỉ ra như những bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian với đặc trưng là đáp ứng tần số của nĩ. Hình 1.1 Các yếu tố gây suy giảm trên kênh đường dây điện lực Hàm truyền đạt và nhiễu được ước tính thơng qua các số liệu đo và phân tích lý thuyết. Một vấn đề phức tạp của kênh đường dây điện lực là sự thay đổi theo thời gian của các yếu tố ảnh hưởng. Mức nhiễu và suy hao phụ thuộc cục bộ vào các tải được kết nối, mà chúng lại thay đổi theo thời gian dẫn tới trạng thái của kênh cũng thay đổi theo thời gian, gây khĩ khăn cho việc thiết kế hệ thống. Một giải pháp được đưa ra là làm cho hệ thống truyền thơng thích nghi với trạng thái thay đổi theo thời gian của kênh truyền, tuy nhiên chi phí cho giải pháp này cũng khá cao. Thực tế đường dây điện lực là một mơi trường truyền thơng rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải và vị trí, cho đến nay các đặc tính cụ thể của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả. 1.3 Giải pháp truyền tín hiệu trên đƣờng dây điện lực trong và ngồi nƣớc hiện nay 1.3.1 Hệ thống đọc cơng tơ từ xa Việc ứng dụng các cơng nghệ cao vào quản lí điện năng sẽ giảm chi phí nhân cơng và đặc biệt sẽ giảm được tổn thất thương mại trong quá trình truyền tải. Xuất phát từ thực tế nêu trên, hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam đã bắt đầu xuất hiện hệ thống tự động đọc số liệu cơng tơ và truyền thơng về trung tâm. Hệ thống này mới được thử nghiệm tại Bắc Ninh và một vài cơ sở điện lực khác, nĩ hồn tồn mới mẻ đối với ngành điện. Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống này cĩ một ý nghĩa thực tiễn cao. Hiện nay trong ngành điện lực, cơng tác kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ cơng. Phương pháp này bộc lộ khá nhiều Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 6
14. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm khơng thể kiểm sốt được mức tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, khơng kiểm sốt được mức tiêu thụ ở các pha do đĩ gây khĩ khăn cho việc xây dựng kế hoạch cân bằng pha trong tương lai, khĩ phát hiện được các hành vi gian lận điện năng Để khắc phục được các nhược điểm trên ta cĩ thể sử dụng hệ thống đo đếm cơng tơ từ xa truyền qua đường dây điện CollectricTM, đây là hệ thống đo lượng điện năng tiêu thụ tiên tiến và thơng suốt theo thời gian thực. Với hệ thống này, ngành Điện lực khơng cần cử nhân viên đi ghi chỉ số cơng tơ tại các hộ gia đình. Ngồi ra hệ thống này cịn cung cấp một số chức năng bổ sung hỗ trợ cho cơng tác giám sát và quản lý khách hàng cũng như cung cấp thơng tin cho khách hàng. Hệ thống Collectric TM cĩ thể tận dụng được cơ sở hạ tầng sẵn cĩ với những cơng tơ theo đơn vị KWH. Vì vậy ngành điện khơng cần phải thay thế các cơng tơ hiện cĩ mà chỉ phải lắp đặt thêm một số thiết bị là cĩ được hệ thống mới, điều này giúp ngành điện giảm được rất nhiều chi phí đầu tư. Hệ thống này là một bước đột phá về cơng nghệ truyền thơng trên đường dây điện (PLC), sử dụng hệ thống dây điện sẵn cĩ để truyền dữ liệu theo thời gian thực giữa các khách hàng với một thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu trung tâm. Đây là một hệ thống Module linh hoạt, nĩ chỉ địi hỏi một sự đầu tư ban đầu rất khiêm tốn, quá trình lắp đặt dễ dàng và nhanh chĩng. 1.3.2 Truy cập internet qua đƣờng dây điện Với cơng nghệ PLC, cĩ thể truy cập Internet với tốc độ nhanh gấp 800 lần so với truy cập qua đường dây điện thoại như hiện nay. Từ tháng 10/2002 ETC sẽ thử nghiệm phương thức kết nối mới tại Tổng Cơng ty Điện lực Việt Nam để chứng minh cơng nghệ hồn tồn phù hợp với lưới điện Việt Nam. Truy cập thơng tin bằng đường dây điện dân dụng khơng làm chỉ số cơng tơ điện mỗi gia đình tăng thêm nhiều vì modem PLC chỉ tiêu tốn một lượng điện tương đương các modem thơng thường. Trong tương lai khơng xa bạn cĩ thể ngồi ở nhà, khơng cần cĩ đường dây điện thoại mà vẫn vơ tư truy cập vào các website. Cũng cĩ thể hình dung ra viễn cảnh tại các bản làng vùng sâu, vùng xa nơi đâu cĩ điện nơi đĩ cĩ thể truy cập vào mạng Internet chỉ Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 7
15. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế bằng một chiếc modem PLC nhỏ gọn như cuốn sách giáo khoa của học sinh. Nối modem với một chiếc ổ cắm điện 220V bạn cĩ thể xem ti vi kỹ thuật số, nghe nhạc trực tuyến, gọi điện thoại, gửi fax và truy cập Internet tốc độ cao. Đây là cơng nghệ PLC (truyền dữ liệu băng thơng rộng qua dây dẫn điện) của Cơng ty Thơng tin Viễn thơng Điện lực (ETC), trực thuộc Tổng Cơng ty Điện lực Việt Nam được giới thiệu tại triển lãm Telecomp 2002. Cơng nghệ PLC sử dụng đường dây điện trong gia đình làm mơi trường truyền dẫn thơng tin. Tại những trạm biến áp thường dùng chuyển điện cao thế thành hạ thế cung cấp cho các gia đình sẽ lắp đặt một modem PLC tốc độ cao HE (HeadEnd). HE cĩ nhiệm vụ "biến" các tín hiệu truyền thơng của cáp quang thành tín hiệu thơng tin cĩ tần số từ 1-30Mhz để truyền vào lưới điện hạ thế và ngược lại. Các tín hiệu thơng tin sau đĩ được truyền đi song song với tín hiệu điện trên hệ thống lưới điện hạ thế tới các hộ gia đình. Lúc này, mỗi một ổ cắm điện trong gia đình cĩ cắm modem PLC trở thành một giao diện kết nối thơng tin. Như vậy cĩ thể sử dụng các dịch vụ viễn thơng mà khơng cần lắp đặt đường cáp mới. Modem PLC cung cấp đường truyền tín hiệu băng thơng rộng (dịch vụ truyền những thơng tin chất lượng cao) giúp các gia đình tiết kiệm chi phí cho đường cáp quang, khai thác tối đa khả năng của mạng điện dân dụng. Cơng nghệ này sử dụng các con chip tốc độ cao 45Mbps để điều chế thơng tin trong các modem PLC. Thế hệ kế tiếp sẽ là con chip cĩ tốc độ 150Mbps được đưa vào sử dụng nhằm nâng cao khả năng đường truyền. Với cơng nghệ PLC, cĩ thể truy cập Internet với tốc độ nhanh gấp 800 lần so với truy cập qua đường dây điện thoại như hiện nay. Đây quả là điều mong mỏi lớn nhất của hầu hết những người say mê các trang web. Và hẳn là bạn sẽ tiết kiệm được lượng thời gian và số tiền đáng kể cho việc ngồi đợi với tốc độ nhiều khi như rùa bị để vào được một website cần thiết. Theo thống kê, hiện nay cả nước cĩ tới 90% hộ gia đình đang sử dụng lưới điện hạ thế. Điều này cho phép phổ cập thơng tin tới mọi người dân ở bất kỳ vùng miền nào. Với một đường cáp quang nối tới trạm biến áp, một vùng dân cư rộng lớn cĩ thể truy cập Internet băng thơng rộng và sử dụng các dịch vụ truyền thơng khác. Đồng thời đây cũng là giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết nạn tắc nghẽn do gộp dữ liệu nhiều thuê bao vào một đường truyền. 1.3.3 Truyền tín hiệu trên đƣờng dây điện lực ở nƣớc ngồi Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 8
16. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế Cơng nghệ PLC cho phép truy cập Internet ở bất kỳ nơi nào trên đất nước Việt Nam miễn là nơi đĩ tồn tại những ổ cắm điện dân dụng thơng thường đang được mọi gia đình sử dụng rộng rãi. Thực ra, cơng nghệ này khơng hề xa lạ với người dân Châu Âu. Nhưng nĩ chỉ mới xuất hiện ở một số nước Châu Á như Nhật Bản, Hàn Quốc và được đưa vào sử dụng phổ biến ở Singapore. Nĩ tận dụng được hạ tầng lưới điện và cĩ tốc độ cao hơn cơng nghệ đường truyền số (ISDN) tới 350 lần. 1.4 Phân tích và lựa chọn phƣơng án 1.4.1 Sơ đồ tổng quát Để truyền tín hiệu qua một đường dây, các bit nhị phân tạo nên mỗi phần tử truyền đi phải được chuyển thành các tín hiệu điện. Ví dụ, cĩ thể truyền một bit nhị phân mức 1 bằng cách đặt lên đường dây một mức điện thế +V và truyền bit nhị phân mức 0 với mức điện thế -V. Khi nhận các tín hiệu điện này, thiết bị thu sẽ dịch +V thành mức logic 1 và –V thành mức logic 0. Trong thực tế, các tín hiệu truyền đi bị suy giảm bởi mơi trường truyền và đơi khi bộ thu khơng thể phân tách đâu là tín hiệu 1 đâu là 0. Mức độ suy giảm và méo phụ thuộc bởi nhiều yếu tố như:  Độ phức tạp của mơi trường truyền.  Tốc độ bit đang truyền.  Khoảng cách giữa hai thiết bị truyền. Nguồn tin Mơi trường truyền Đích thu Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền tin Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 9
17. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế 1.4.2 Phƣơng án thiết kế 1 Sơ đồ khối MODEM 1 Phím nhấn Khối hồng ngoại Hiển thị báo hiệu Giao tiếp Khối điều khiển 1 với Giải mã 1 PC Bộ phát mã & chuyể n Khuếch đại tín hiệu mức tín hiệu Dao & tách sĩng mang động tạo sĩng Khối trộn mang Sửa dạng xung & Khuếch đại cơng su ất phối hợp trở kháng Biến áp cách ly Biến áp cách ly Mạch giao tiếp Mạch giao tiếp MƠI TRƢỜNG TRUYỀN (MẠNG LƢỚI ĐIỆN 220V/50Hz) Hình 1.3 Sơ đồ khối chi tiết MODEM 1 Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 10
18. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế Sơ đồ khối MODEM 2 MƠI TRƢỜNG TRUYỀN (MẠ NG LƢỚI ĐIỆN 220V/50Hz) Mạch giao tiếp Mạch giao tiếp Biến áp cách ly Biến áp cách ly Sửa dạng xung và phối hợp trở kháng Khuếch đại cơng suất Trộn Dao Khuếch đại tín hiệu & động tách sĩng mang tạo sĩng Bộ phát mã & chuyển mang Giải mã 2 mức tín hiệu Khối điều khiển 2 Giao tiếp với thiết bị điện Hình 1.4 Sơ đồ khối chi tiết MODEM 2 Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 11
19. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế Mơ tả chức năng của từng khối trong MODEM 1 và MODEM 2 MODEM 1:  Khối hồng ngoại: gồm Remote phát ra tín hiệu hồng ngoại và mắt nhận thu tín hiệu điều khiển từ Remote hồng ngoại để điều khiển thiết bị thơng qua vi điều khiển.  Phím nhấn: gồm 8 phím nhấn, khi nhấn các phím các lệnh sẽ được đưa vào vi điều khiển để xử lý.  Khối vi điều khiển 1: nhận lệnh điều khiển từ máy tính hoặc Remote hoặc từ phím nhấn để điều khiển quá trình phát tín hiệu đã được điều chế lên mạng lưới điện, đồng thời khối này sẽ nhận dữ liệu từ khối giải mã 1 để điều khiển đưa lên máy tính để báo hiệu trực tiếp trên màn hình máy tính.  Giao tiếp với PC: khối này sẽ làm nhiệm vụ nhận dữ liệu nối tiếp từ vi điều khiển TTL và chuyển mức tín hiệu sang RS232 để truyền lên máy tính đồng thời nhận dữ liệu nối tiếp từ máy tính RS232 và chuyển sang mức tín hiệu TTL trước khi đưa vào vi điều khiển.  Bộ phát mã & chuyển mức tín hiệu: Bộ phát chính phát ra một lệnh ứng với mã tương ứng để phát đi, cĩ thể sử dụng IC phát lệnh. Khối chuyển mức tín hiệu: chuyển mức logic từ 5V sang 12V rồi đưa đến khối trộn và truyền đi, và chuyển mức logic từ 12V sang 5V khi nhận về.  Khối dao động tạo sĩng mang: tạo ra sĩng mang với tần số phù hợp để mang tín hiệu thơng tin đi xa.  Khối trộn: trộn tín hiệu số với sĩng mang để tạo thành tín hiệu tổng hợp, phù hợp cho việc truyền đi xa.  Khối khuếch đại cơng suất: nâng cao tín hiệu biên độ đã điều chế trước khi truyền đi.  Biến áp cách li: do mơi trường truyền của tín hiệu là mạng lưới điện dân dụng (220V/50Hz). Do đĩ, để đảm bảo an tồn cho mạch và người tiếp xúc, tránh bị điện giật khi chạm vào ta cần phải sử dụng biến áp cách li.  Mơi trường truyền: mơi trường được sử dụng ở đây là mạng lưới điện dân dụng 220V/50Hz.  Mạch giao tiếp: mạch giao tiếp thực ra là bộ lọc cộng hưởng. Cĩ hai lí do để sử dụng bộ lọc này: Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 12
20. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế - Thứ nhất: do trên đường truyền cĩ khá nhiều nhiễu nên cần phải lọc sơ bộ trước khi đưa vào mạch điện. - Thứ hai: do biến áp để xuất nhập tín hiệu cĩ cuộn dây với điện kháng L gần bằng 0 ở tần số 50Hz. Do vậy, nếu mắc trực tiếp biến áp này với điện 220V thì biến áp này sẽ lập tức bị cháy ngay. Vì vậy, bộ cộng hưởng cịn cĩ nhiệm vụ bảo vệ biến áp.  Khối sửa dạng xung và phối hợp trở kháng: tín hiệu truyền đi trên đường dây điện sẽ bị nhiễu rất nhiều, các nhiễu này sẽ làm biến dạng tín hiệu cần thu. Vì vậy, ta phải sửa dạng xung để dễ xử lí tín hiệu sau khi thu về. Mạch phối hợp trở kháng là nhằm tránh hiện tượng phản xạ trên đường dây, nhằm đạt cơng suất truyền tới mức cao nhất.  Mạch khuếch đại & tách sĩng mang: tín hiệu nhận được từ đường truyền rất nhỏ do suy hao trên đường truyền nên cần phải khuếch đại để cĩ dịng và áp thích hợp trước khi đưa vào mạch tách sĩng. Vì tín hiệu nhận về gồm tín hiệu số và tín hiệu sĩng mang nên trước khi đưa đến chân thu ta phải lọc bỏ sĩng mang và tái tạo lại tín hiệu ban đầu.  Khối giải mã 1: giải mã lệnh nhận được sao cho trùng với lệnh phát phản hồi từ MODEM 2.  Khối báo hiệu hiển thị: Báo hiển thị trạng thái các thiết bị đã điều khiển bằng led đơn. MODEM 2:  Các khối: Bộ phát mã & chuyển mức tín hiệu, Khối dao động tạo sĩng mang, Khối trộn, Khối khuếch đại cơng suất, Biến áp cách li, Mơi trường truyền, Mạch giao tiếp, Khối sửa dạng xung và phối hợp trở kháng cĩ chức năng giống như MODEM 1 .  Khối vi điều khiển 2: nhận dữ liệu từ khối giải mã 2 để điều khiển 8 thiết bị điện thơng qua khối giao tiếp với các thiết bị điện, đồng thời điều khiển bộ phát mã & chuyển mức tín hiệu cùng với khối cơng suất để phát phản hồi báo hiệu thiết bị điện đã điều khiển. 1.4.3 Phƣơng án thiết kế 2 Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 13
21. Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế Sơ đồ khối chi tiết bộ phát và bộ thu Line 220V Nguồn cung cấp Nguồn cung cấp và ghép nối và ghép nối Các ứng Các ứng TDA5051A dụng TDA5051A dụng Vi điều khiển Vi điều khiển Hình1.5 Sơ đồ khối MODEM truyền và MODEM nhận dữ liệu Ghép nối với nguồn điện 220V: Hình1.6 Sơ đồ khối ghép nối với nguồn điện Việc ghép nối này được thực hiện giữa nguồn điện 220V và nguồn điện áp thấp TXOUT/RXIN của modem. Nếu khơng cần sự cách ly thì chúng ta cĩ thể sử dụng mạch LC để ghép nối như trong trường hợp sau: Hình 1.7 Sơ đồ mạch ghép nối LC giữa IC và nguồn 220V Chương 1: Cơ Sở Lý Luận Trang 14
22. S K L 0 0 2 1 5 4