基于高速电力载波的智能火箱的研究

覃炎洁，董芳针，尉学军，卢家暄*（.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳，55005；.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳，55005）

基于高速电力载波的智能火箱的研究

覃炎洁1，董芳针1，尉学军2，卢家暄*2
（1.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳，550025；2.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳，550025）

针对传统电火箱不能自动控制，且存在诸多安全隐患，设计了一种以PL3200的电力载波芯片为核心的智能安全电火箱，并结合DSP技术，实现远程控制。首先介绍以DS18B20温度传感器、MT9V111图像传感器和MOC3041光电隔离器为元件的DSP外围电路，重点展示了电力载波模块中的耦合电路、滤波电路、放大电路的设计，并对其合理性进行分析。仿真结果表明，信号能在室内电力线中可靠传输，可以实现对电火箱的智能控制。

电力载波技术；DSP技术；传感器；光电耦合

0　前言

随着“互联网+”、“大数据”、“智能家居”、“物联网”等新概念的出现，以及电子技术的不断发展，人们对家居设备信息化、智能化的需求越来越大，且呈现多样性的趋势。海量数据的交换、处理、存储、掘新成为当下互联网亟待解决的课题。依托无处不在的电力线网络，具有高速传输速率的电力线载波通信技术成为了众多研究机构的探讨热点。

针对以上状况，以窄带电力载波技术为基础，结合DSP的高速数据处理能力，对智能安全电火箱进行研究，既实现了电火箱的自动控制，又体现了家居智能化的可能性。传统工艺生产的火箱性能低，火箱的自动化控制能力弱，不能自动调节温度和自动开、关，大多采用简单的保护模块以及继电器控制，产品安全系数也不高。以室内已有的电力线为传输媒介，实现DSP和主监控器的双向通信，既能对电火箱进行实时控制，又能使家用电器设备智能控制系统化。能减少了室内布线，节约成本，符合家居生活舒适化、安全化、智能化的要求。

1　设计要求

利用室内电力线传输信号，实现电火箱的智能化控制，必须保证状态信号采集准确，传输稳定，失真小，且对其他通信设备影响小。其次要尽可能降低能耗、制造成本，更要有利于其他家电设备的系统化管理。因此，本文采取以下措施：

1）使用DSP对传感器采集的状态信号进行二次处理，便于载波芯片对信号进行调制，同时也将电火箱的通断执行单元与载波模块隔离，减小负载对载波模块调制/解调的影响；

2）载波模块设计中，用耦合电路隔离50HZ工频同步的噪声干扰，降低信号的失真度，带内的衰减小于3dB，带外衰减大于40dB，且带内衰减曲线平坦，以减小对其他设备的干扰；

3）利用主监控系统对电火箱的通断进行控制，便于其他电力设备实现智能化控制后，采用室内电力线传输通信，能统一控制，实现家用设备管理的自动化、系统化。

2　系统的工作原理

系统智能安全的运行主要依靠电力线载波模块、DSP芯片、主监控器等得以实现。传感器采集的状态信号在DSP芯片中进行压缩、编码，再经电力载波模块滤波、耦合到室内电力线上，传输给主监控器，然后再将主监控器下达的指令信号传回给DSP，从而控制火箱的通断和温度调节。

3　DSP外围电路

DSP通过I/O口将传感器采集的信息传入，再由HPI接口与载波芯片进行信息交换，最后将主监控器下达的指令通过I/O在光电耦合器上执行。

3.1传感器接入电路。传感器接入部分选用MT9V111传感器和DS18B20传感器分别进行图像信号和温度数据的采集。为了防止空读，减少DSP读取数据时中断次数，在图像传感器和DSP芯片之间加入数据缓存储器FIFO，图像传感器像素输出时钟为存储器提供写时钟，而DSP为存储器提供读时钟。

3.2光电耦合器电路。采用MOC3041光电耦合器芯片进行光电隔离。为了减小电火箱接通后对电力线的影响，使用过零检测电路控制晶闸管过零触发。当DSP的I/O口输出低电平时，电耦合器内部的发光二极管导通，接通交流负载，电火箱开始工作。当输出高电平时，MOC3041内部的发光二极管截止，内部双向晶闸管关断，从而外部交流负载被关断，电火箱停止工作。

4　电力载波模块硬件电路设计

电力载波模块选用的载波芯片是PL3200，内置扩频通信调制/解调电路，采用直接序列扩频通信方式。当DSP二次处理后的的状态信号传输到电力载波模块后，先通过PL3200芯片对信号进行调制，然后由功率放大电路将信号放大，再利用耦合电路将信号耦合到电力线上进行传输。待下一个载波模块在接受到电力线上的信号后，先解耦、滤波，再由PL3200芯片解调得到状态信号，最后将其输送到主监控器中。主监控器发出的指令信号也通过同样的方式返回到DSP上。

4.1电容耦合电路。耦合方式有电容耦合和电感耦合，电感耦合产生的信号耦合衰减较大，所以选用电容耦合的方式。电路图如图1所示，高频电容C5与电阻R3构成了一阶高通滤波器，滤除载波信号中的低频信号和伪信号，保证有用信号通过，提供尽可能小的衰减和线性幅频、相频特性。

图1　耦合电路图

由于PL3200的中心频率为120kHZ，工作频带在70kHZ—170kHZ的范围内，所以截止频率设为60kHZ，取C5=0.0047μF，得到R3=570Ω，R1为C10的卸荷电阻，通常取20ΜΩ。图2为该耦合电路进行强、弱电分离和分压端的高通滤波性能示意图，允许60kHZ以上高频信号通过，通带衰减小于3dB。

图2　耦合电路图性能测试图

图3　带通滤波电路图

4.2带通滤波电路。载波信号接收端的耦合电路还夹杂有工频谐波和宽频带噪声，为了更好的将信号还原，还需进行二次滤波，图3是根据本文的实际需求设计的无源巴特沃斯带通滤波器。IN5758用来消除来自电力线上高强度信号的干扰，防止在输入到载波芯片的电压过高而损毁载波芯片。而带通滤波器，用来消除来自电力线上的带外干扰噪声，保证前后级之间阻抗匹配，使信号能顺利传递。

通带的上下截频率分别为fp1=70kHZ，fp2=170kHZ，通带范围内衰减在3dB范围内。阻带上下截至频率分别为fS1=50kHZ，fS2=255kHZ阻带衰减为40dB，带通滤波电流的测试结果如图4所示。

图4　带通滤波电路测试图

由图4可以看出，图 （a）和图 （d）在截止频率50kHZ—255 kHZ处，阻带衰减均达到50dB以上，比预期效果要好。由图（b）和图（c）可知，宽带载波耦合装置的带通滤波网络的通频带为70kHZ—170kHZ，带内工作衰减基本平坦，纹波小于3dB，可见滤波电路的频谱特性是符合载波通信的要求的，对带外的信号有较强的抑制作用，符合本设计的要求。

4.3功率放大电路

图5中的放大电路由四个三极管构成，其输出级是一个推挽直流偏置电路，保证信号输入时直接进入放大区，也克服了交越失真。串联的L14和C20构成一个简单的带通滤波器，可以对放大后的信号进行一个初步的滤波。信号耦合变压器T1和电容C13构成了高通滤波器，进一步滤波，并将高电压的工频交流电与载波模块隔离。

图5　功率放大电路图

图6为正弦波信号通过功率放大电路前后的波形的对比图，A通道为信号的输入，B通道为信号输出，从图中可以看出通过功率放大电路后的信号放大了1.1倍，同样信道中的噪声干扰信号也会放大，所以需要对其进行滤波。

图6　功率放大电路仿真图

5　总结

在电子技术和信息技术的飞速发展的过程中，数字家电越来越普及，智能家居也成为未来智能电网发展的一个重要趋势。本文基于窄带电力载波的智能安全火箱的研究，利用DSP强大的数据采集和处理能力，使数字运算准确、快捷，能够满足实时要求。而电力载波技术的运用，让主监控器能通过室内以有的电力线网络来控制电火箱，实现对电火箱的远程监控，达到自动化管理的目的，是家用电器设备智能化的一个重要体现。监控器控制还可以接收其他电子产品的信息，通过同样的方式发送指令控制家中的其他电器，使家用电器的管理更加系统化，这将会成为未来家居生活的一个重要发展趋势。

［1］ 张众发，江志.室内低压电力线信道特性测量与分析［J］.电测与仪表，2008，45（9）：25-30.

［2］ S. K. Ronnberg， M. H. J. Bollen， M. Wahlberg.Interaction Between Narrowband Power-Line Communication and End-User Equipment［J］.IEEE Transactions on Power Delivery， 2011.26（3）： 2034-2039.

［3］ 肖勇，房莹，张捷等.低压电力线载波通信信道特性研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（20）：20-25.

［4］ 刘艳萍，李志军.DSP技术原理及应用教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

［5］ 付秋瑜，林清宇，张万成等.面向实时视觉芯片的高速CMOS图像传感器［J］.光学学报，2011，31（8）：0828001.

［6］Arthur B.Williams，FredJ.Taylor.电子滤波器设计［M］.宁彦卿，姚金科译.北京：科学出版社，2008.

［7］ M. Korki， N. Hosseinzadeh， T. Moazzeni.Performance evaluation of a narrowband power line communication for smart grid with noise reduction technique［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2011. 57（4）：1598-1606.

［8］张浩风.模拟电路分析计算与应用设计［M］.北京：化学工业出版社，2012.

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

省科技厅国际合作项目（Z103080）

覃炎洁（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向： 电力电子信息技术