基于電力線載波通信的地下室門禁信號采集裝置的設計與研究

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通訊和可預測P-堅持CSMA等技術滿足地下室門禁信號的可靠采集，同一臺區下增加采集器可將地下室門禁的安防信號傳至小區物業服務器。

【關鍵詞】地下室門禁信號采集 過零點PLC通訊 可預測P-堅持CSMA

1 引言

目前安防系統的報警信息（如煙氣、煤氣、門磁、紅外探測等）可采用無線（射頻、手機網絡）或專用信號線傳輸方式。射頻傳輸不能滿足遠距離傳輸的要求，尤其當收、發模塊之間有障礙物時，傳輸距離會大大減小；在很多區域手機網絡不能覆蓋，不能實現傳輸；專用信號線傳輸方式需要布線，當收、發模塊之間距離遠、障礙多時，布線比較困難。

利用PLC通信采集地下室門禁信號，解決了很多小區的地下室的上述問題問題。通過過零點PLC通訊和可預測P-堅持CSMA大大增加了可覆蓋的區域，可廣泛應用于樓宇間安防信號的傳輸。

2 采集裝置的總體方案設計

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

2.1 門禁信號采集裝置硬件設計

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

2.1.1 門禁信號采集裝置主控制電路設計

門禁信號采集裝置主控制系統的處理器為福星曉程公司的PL4000芯片，該芯片采用BDPSK調制方式和直序擴頻技術，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，數據速率為100bps，載波發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由處理器、晶振電路、電源模塊以及上電復位電路等構成，主控系統在應用系統設計中十分關鍵，它是應用系統的內核。本系統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單元電路設計

從PL4000輸出的信號幅度小、驅動能力弱而且還有各種諧波，因此必須經過放大和濾波，然后才能通過耦合電路將信號調制到電力線上。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（本系統采用120kHz載頻），經過預放大后再送到PL4000的接收端。

2.2 門禁信號采集裝置軟件設計

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送端裝置軟件設計的難度在于滿足PLC通信網絡的實時性要求，主要解決小區內多個同頻PLC通信門禁信號同時傳輸的沖突避開機制。主要表現在所發送的數據在可確定的時延內送達，該軟件設計使用的是可預測P堅持CSMA算法，算法原理是：假如介質當前有多個節點需要占用信道，或者已經發生多次沖突，可預測P-堅持CSMA算法則可根據當前的負荷量來判斷發送數據可能碰撞的可能性。當前沖突次數多，則自動減小P值，否則增大P值。這種算法在發送數據時采用先偵聽信道是否空閑，若空閑則以概率p發送，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，要提高網絡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）沖突發生時的快速恢復。

可預測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送裝置，則兩棟樓共528戶，設防狀態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R為隨機時隙數，R≥8，即網絡的最小隨機時隙數為8，D為網絡上將發送的數據包的數目，即預約交通量，典型D∈〔1，27〕，則P表現為：

由此可見，隨著D的增大，隨機時隙數增加，P減小。由于每個節點在一個時刻只能發送一個數據包，通常，D≤信道上節點的數目。當考慮極端情況時，一個時刻所有的節點同時請求發送，則D即為信道上節點的數目。此時，由于程序已經分配了足夠的隨機時隙，網絡的數據傳輸基本不會發生沖突，網絡以接近最大的吞吐量工作。只是數據的發送產生了一定的時延。

3 結論

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的問題，對解決地下室防盜具有實際意義。

參考文獻

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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