NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MODEM ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG QUA MẠNG LƯỚI ĐIỆN DÂN DỤNG KS. VÕ ĐỨC DŨNG Học viên cao học lớp KTĐT K13 PGS. TS. LÊ HÙNG LÂN Bộ môn Điều khiển học Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Mục tiêu của bài báo là nghiên cứu chế tạo MODEM điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện dân dụng. Sản phẩm sau khi chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện trong gia đình, trong các căn hộ cao cấp, nhà hàng, khách sạn, các công ty, xí nghiệp … Công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực (PLC) sử dụng lưới điện hạ thế để truyền thông tin. Khi phát lệnh điều khiển MODEM MASTER từ phím nhấn hoặc REMOTE, các tín hiệu thông tin được điều chế có tần số từ 1-2Mhz sẽ được truyền đi song song với tín hiệu điện trên lưới điện hạ thế, các tín hiệu này sẽ đi đến các MODEM SLAVE để giải điều chế và điều khiển thiết bị điện tương ứng với lệnh đã phát, đồng thời phát lệnh báo phản hồi trở lại MODEM MASTER. ĐT Summary: The aim of this paper is to highlight the research and manufacturing of a MODEM to control electrical devices using a low voltage system. The product is used to control electrical devices of low voltage in houses, modern apartments, restaurants, offices… When commands are transmited from buttons on a MASTER MODEM or a remote control, signals are modulated at a frequency of 1-2Mhz and then transmitted to a SLAVE MODEM in the low voltage system. These signals received from the SLAVE MODEM are demodulated to control electrical devices. After that, a feedback signal from the SLAVE MODEM is transmitted to the MASTER MODEM. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power Line Communication) mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin. Với việc sử dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng [8-10]. Ngày nay đất nước đang phát triển với tốc độ rất cao, cuộc sống người dân ngày càng được cải thiện bên cạnh đó là những tòa nhà nhiều tầng, chung cư cao cấp được xây dựng. Những công ty cổ phần đã khai trương những ngôi nhà mẫu thông minh. Điểm đặc biệt của loại nhà này là có trang bị hệ thống giúp cho chủ nhân ngôi nhà có thể điều khiển từ xa những thiết bị được lắp đặt trong nhà như máy lạnh, máy nước nóng, các loại cửa chính cửa sổ, cửa rèm theo ý của chủ nhân và vào một thời gian do chủ nhân ngôi nhà ấn định. Hệ thống này có thể được điều khiển ngay tại nhà hoặc khi chủ nhân ở xa qua hệ thống internet. Công nghệ này được nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao. Trong những ngôi nhà được xây dựng nhiều tầng như hiện nay thì hầu hết các thiết bị điện được điều khiển bằng CP (công tắc) nằm rải rác khắp các tầng nhà, chủ nhân muốn điều khiển tắt hoặc mở các thiết bị này phải di chuyển đến tận nơi đặt CP để điều khiển. Giả sử chủ nhân từ trên lầu 3 xuống tầng trệt nhưng lại quên tắt thiết bị điện nào đó thì lúc đó phải tốn công lên lầu 3 trở lại để tắt thì quả là rất phiền toái. Nhu cầu điều khiển các thiết bị điện xuất phát từ nhu cầu đó, tức là phải làm sao có thể điều khiển các thiết bị điện ngay tại tầng trệt mà không cần phải lên lầu để điều khiển tắt hoặc mở. Vì vậy việc chế tạo modem truyền và nhận dữ liệu qua mạng lưới điện hạ thế là rất cần thiết. Nó mang lại một sự thuận lợi cho người sử dụng điều khiển và vẽ đẹp sang trọng trong că n nhà. II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Chế tạo MODEM Master và MODEM Slave Thực tế đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải và vị trí, mọi hệ thống truyền thông luôn cố gắng để đạt được phối hợp trở kháng tốt. Một số trở kháng không phối hợp khác có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ do các hộp cáp không phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn. Một tham số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông đó là SNR (công suất thu được /công suất nhiễu). 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. ĐT Trên cơ sở tham khảo công nghệ truyền tín hiệu trên đường dây điện lực trong và ngoài nước cho thấy khi truyền tín hiệu trên đường dây điện lực, đường dây giống như một anten lớn nhận các nhiễu và phát xạ tín hiệu và khi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu, công suất tín hiệu sẽ bị suy hao, nếu suy hao quá lớn thì công suất thu sẽ rất nhỏ và máy thu không tách ra được. Những giải pháp khắc phục được đưa ra như là sử dụng các bộ lọc chặn tín hiệu truyền thông hay sử dụng các bộ lặp đặt tại các hộp cáp để tăng chiều dài truyền thông. Hiện tại công nghệ truyền dữ liệu trên đường dây điện lực PLC (Power Line Communication) đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới và ở nhiều lĩnh vực khác nhau như: Hệ thống giám sát và điều khiển, SCADA, Hệ thống đo đếm điện năng từ xa, Dịch vụ internet trên PLC, Home Automation, 2.1.1. Sơ đồ khối MODEM Master và MODEM Slave Để thiết kế, chế tạo mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện dân dụng trước tiên phải đưa ra được sơ đồ khối cho MODEM Master và MODEM Slave. Để từ đó sẽ phân tích, thiết kế, tính toán và lựa chọn những linh kiện cho từng khối [1-7,11]. - Sơ đồ khối MODEM Master ĐT - Sơ đồ khối MODEM Slave Bộ phát mã & chuyển mức tín hiệu Khối trộn Khuếch đại công suất Biến áp cách ly Mạch giao tiếp MÔI TRƯỜNG TRUYỀN (MẠNG LƯỚI ĐIỆN 220V/50Hz) Biến áp cách ly Sửa dạng xung & phối hợp trở kháng Khuếch đại tín hiệu & tách sóng mang Mạch giao tiếp Giải mã 1 Giao tiếp với PC Khối điều khiển 1 Phím nhấn Khối hồng ngoại Dao động tạo sóng mang Hiển thị báo hiệu Hình 1. Sơ đồ khối chi tiết MODEM 1 Mạch giao tiếp Biến áp cách ly Sửa dạng xung & phối hợp trở kháng Giao tiếp với thiết bị điện Biến áp cách ly Mạch giao tiếp Khuếch đại công suất Trộn Bộ phát mã & chuyển mức tín hiệu Khuếch đại tín hiệu & tách sóng mang MÔI TRƯỜNG TRUYỀN (MẠNG LƯỚI ĐIỆN 220V/50Hz) Khối điều khiển 2 Dao động tạo sóng mang Giải mã 2 H ình 2. Sơ đ ồ khối chi tiết MODEM 2 2.1.2. Thiết kế, chế tạo phần cứng Chế tạo mạch MODEM Master & MODEM Slave Ngõ vo 220V N guồn cung cấp Khối điều khiển N gõ vào phím nhấn Khối nhận hồng ngoại Khối điều chế ĐT - Hình thức điều chế tín hiệu Yêu cầu: hình thức điều chế này có khả năng mang thông tin đi xa và thích hợp với môi trường truyền (có khả năng giải điều chế ở đầu thu). Phương án thực hiện: có nhiều phương pháp điều chế như điều chế pha PM, điều chế AM, điều chế FM, điều chế xung, điều mã xung… Người nghiên cứu chọn phương pháp điều chế ASK (Amplitude Shift Keying) là thích hợp và đơn giản nhất. Vì tín hiệu cần điều chế là tín hiệu số chỉ có hai mức điện áp ứng với mức logic_0 là 0V và logic_1 là 5V. Do môi trường truyền là dây dẫn song song (mạng lưới điện dân dụng) nên không thể đòi hỏi tốc độ truyền quá cao được. Cho nên ASK luôn là lựa chọn hàng đầu vì mạch điều chế dạng này khá đơn giản. N gõ vào giải điều chế Hình 3. Chế tạo mạch MODEM Master N gõ vào 220V N guồn cung cấp Khối điều khiển Điều khiển tải Khối điều chế N gõ vào giải điều chế N gõ ra tải H ình 4. Chế tạo mạch MODEM Slave Hình 5. Chế tạo mạch điều khiển tải Hình 6. Dạng sóng tín hiệu được điều chế ASK Tốc độ truyền được sử dụng X = 1200 bps, số bit địa chỉ = 8 bit, số bit dữ liệu = 4 bit, 1 bit đồng bộ (do ta dùng PT2262/PT2272 L4). Sau khi tín hiệu qua mạch khuếch đại, chúng cần phải được loại bỏ sóng mang để tái tạo lại tín hiệu thông tin ban đầu. - Thiết kế mạch giải điều chế tín hiệu Nguyên lí hoạt động: khi ngõ vào là tín hiệu xoay chiều với tần số là f = 1 MHz thì ngõ ra lên mức 1. Khi ngõ vào không có tín hiệu thì ngõ ra ở mức 0 tương ứng với điện áp là 0 V. Hình 7. Sơ đồ nguyên lý mạch tách sóng mang ĐT Quá trình tách sóng: Ban đầu V C = 0; nên trong 0,5T dương của V i , diode dẫn, tụ C nạp. Khi V i tăng tụ C tiếp tục nạp và V C tăng dần. Từ thời điểm t > t 1 do V i < V C nên diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R. Vì R >> R d nên T phóng = RC lớn. Vì vậy tụ phóng chậm hơn nạp. Tại t ≥ t 2 trở đi do V i > V C nên tụ lại tiếp tục nạp. Tại t ≥ t 3 trở đi do V i < V C nên diode ngưng, C phóng điện chậm qua R. Quá trình này tiếp tục diễn ra cho đến khi xác lập T n = T p . Lúc đó V c sẽ dao động giữa hai giá trị xác lập là V Cmin và V Cmax , và điện áp trung bình trên tụ là: 2 VV V maxCminC C + = . Nếu ta chọn T P lớn hơn rất nhiều so với chu kì tín hiệu thì V Cmax ≈ V Cmin và có thể coi V C là hằng số. Lúc đó điện áp ra của mạch tách sóng là điện áp một chiều. Hình 8. Quá trình tách sóng mang - Thiết kế khối điều khiển MODEM Master Khối vi điều khiển 1 được thiết kế để nhận tín hiệu điều khiển từ Remote hoặc trực tiếp từ phím nhấn sau đó sẽ điều khiển các khối khác theo thứ tự: đưa dữ liệu vào khối tạo mã, cho phép khối tạo mã được xuất dữ liệu ra và xuất lệnh ra điều khiển khối công suất để đưa dữ liệu lên đường truyền. Port 0: Dùng để nhận 8 phím nhấn tương tự và cũng đồng thời nhận tín hiệu từ khối điểu khiển Remote đưa đến. Port 1: Từ p1.0 đến p1.3 dùng để điều khiển 4 đường dữ liệu của IC tạo mã U1.1 và từ p1.4 đến p1.7 dùng để điều khiển 4 đường dữ liệu của tạo mã U1.2. Port 2: Từ p2.0 đến p2.3 dùng để nhận về 4 đường dữ liệu của IC giải mã U2.2 và từ p2.4 đến p2.7 dùng để nhận về 4 đường dữ liệu của IC giải mã U2.3. Port 3: Từ p3.3 điều khiển khối công suất phát, p3.4 điều khiển việc tạo mã cho IC U1.1, p3.5 điều khiển việc tạo mã cho IC U1.2, p3.6 nhận dạng tín hiệu được giải mã từ IC U2.2, p3.7 nhận dạng tín hiệu được giải mã từ IC U2.3. ĐT - Thiết kế khối điều khiển MODEM Slave Khối vi điều khiển 2 của MODEM 1 được thiết kế để nhận tín hiệu từ 2 IC giải mã sau đó xuất lệnh để điều khiển 8 thiết bị điện đồng thời khống chế thời gian để phát phản hồi trở về MODEM 2 để báo cáo thiết bị nào đang được điều khiển. trình tự của việc phát phản hồi theo thứ tự: đưa dữ liệu vào khối tạo mã, cho phép khối tạo mã được xuất dữ liệu ra và xuất lệnh ra điều khiển khối công suất để đưa dữ liệu lên đường truyền. Khối điều khiển 2 gồm một IC vi điều khiển AT89C51. IC này có 4 port được thiết kế như sau: Port 0: Dùng để điều khiển 8 thiết bị điện. Port 1: Từ p1.0 đến p1.3 dùng để nhận 4 đường dữ liệu từ IC giải mã U2.5 và từ p1.4 đến p1.7 dùng để nhận 4 đường dữ liệu từ IC giải mã U2.6. Port 2: Từ p2.0 đến p2.3 dùng để điều khiển 4 đường dữ liệu của IC tạo mã U1.1 và từ p2.4 đến p2.7 dùng để điều khiển 4 đường dữ liệu của IC tạo mã U1.2. Port 3: p3.0 nhận lệnh từ IC giải mã U2.5, p3.1 điều khiển việc tạo mã cho IC U2.6, p3.2 điều khiển khối công suất phát, p3.3 điều khiển việc tạo mã cho IC U1.1, p3.4 điều khiển việc tạo mã cho IC U1.2. 2.1.3. Thiết kế phần mềm 66H=0? cpl 66H clr p1.6 setb p1.6 setb p3.3 setb p3.3 67H=0? cpl 67H clr p1.7 setb p1.7 setb p3.3 setb p3.3 S Đ S Đ Đ S Đ S so sánh #0BFh so sánh #07Fh BEGIN AÅP0 60H=0? cpl 60H clr p1.0 setb p1.0 setb p3.3 setb p3.3 61H=0? cpl 61H clr p1.1 setb p1.1 setb p3.3 setb p3.3 62H=0? cpl 62H clr p1.2 setb p1.2 setb p3.3 setb p3.3 63H=0? cpl 63H clr p1.3 setb p1.3 setb p3.3 setb p3.3 S Đ S Đ S Đ S Đ Đ S Đ S Đ S Đ S so sánh #0FEh so sánh #0FDh so sánh #0FBh so sánh #0F7h Xóa p1, p3.3, p3.4, p3.5, Xóa các ô nhớ 60h, 61h, 62h, 63h, 64h, 65h, 66h, 67h 64H=0? cpl 64H clr p1.4 setb p1.4 setb p3.3 setb p3.3 65H=0? cpl 65H clr p1.5 setb p1.5 setb p3.3 setb p3.3 S Đ S Đ Đ S Đ S so sánh #0EFh so sánh #0DFh Hình 9. Lưu đồ điều khiển MODEM 1 ĐT Khi mới reset hay mới cung cấp nguồn điện thì chương trình bên trong vi điều khiển hoạt động. Vào đầu chương trình sẽ khởi tạo các giá trị ban đầu. Trước hết xóa port 1 để nhận biết phím nào được nhấn, xóa port 3 để điều khiển và xóa các ô nhớ từ 60h đến 67h để thực hiện quá trình nhận dạng. So sánh với dữ liệu #0feh kiểm tra điều khiển tắt mở phím nhấn hoặc SW1 từ remote tại p0.0 và xuất lệnh ra điều khiển ở p1.0. So sánh với dữ liệu #0fdh kiểm tra p0.1 và xuất lệnh ra điều khiển ở p1.1. So sánh với dữ liệu #0fbh tại p0.2 và xuất lệnh ra điều khiển ở p1.2. So sánh với dữ liệu #0f7h tại p0.3 và xuất lệnh ra điều khiển ở p1.3. So sánh với dữ liệu #0feh tại p0.4 và xuất lệnh ra điều khiển ở p1.4. So sánh với dữ liệu #0efh tại p0.5 và xuất lệnh ra điều khiển ở p1.5. So sánh với dữ liệu #0dfh tại p0.6 và xuất lệnh ra điều khiển ở p1.6. So sánh với dữ liệu #0bfh tại p0.7 và xuất lệnh ra điều khiển ở p1.7. BEGIN Xóa p0, p2 Xóa p3.2, p3.3, p3.4 aÅP3 S A Å P1 p2, p0 Å A setb p3.3 Đ so sánh #0e2h so sánh #0e1h delay 1ms Delay 1ms Setb p3.2 Delay 1s clr p3.3, p3.2 A Å P1 p2, p0 Å A setb p3.4 Đ delay 1ms Delay 1ms Setb p3.2 Delay 1s clr p3.4, p3.3 S Hình 10. Lưu đồ điều khiển MODEM 2 ĐT Vào đầu chương trình sẽ khởi tạo các giá trị ban đầu. Trước hết xóa port 0, port 2, port 3 để reset các tải ở trạng thái tắt. Sau đó kiểm tra tín hiệu đã được nhận vào chưa ở port 3. Nếu tín hiệu được nhận về thì dữ liệu được xuất ra điều khiển các tải ở port 0 và điều khiển báo phản hồi trở lại ở port 2 & port 3. So sánh với dữ liệu #0E2h để nhận dạng thu về và điều khiển 4 thiết bị điện ở các port 0.0 đến port 0.3 và báo phản hồi về ở các port 2.0 đến port 2.3. So sánh với dữ liệu #0E1h để nhận dạng thu về và điều khiển 4 thiết bị điện ở các port 0.4 đến port 0.7 và báo phản hồi về ở các port 2.4 đến port 2.7. 2.2. Thực nghiệm Trong quá trình thi công, phải chế tạo từng khối riêng rẽ và thực hiện cân chỉnh từng khối sau đó ghép nối các khối lại với nhau để trở thành một MODEM có thể nhận tín hiệu vào và truyền tín hiệu đi theo mục đích yêu cầu của người sử dụng. Dạng sóng tín hiệu trong MODEM được đo đạt bằng dao động ký (Oscilloscope). Quá trình thực nghiệm hai MODEM phụ thuộc rất lớn vào tải tại MODEM Master, tải trên đường truyền và tải do MODEM Slave điều khiển. Kết quả quá trình thử nghiệm cho phép điều khiển thiết bị điện tốt nhất trong khoảng 500m với tải mắc trên đường truyền phù hợp. - Dạng sóng tín hiệu tại khối tạo mã (có biên độ 15Vpp) và khối điều chế (có biên độ 25Vpp) của MODEM Master: ĐT Hình 11. Dạng sóng tín hiệu tạo mã và điều chế điều khiển thiết bị 1 - Dạng sóng tín hiệu ngõ vào khối giải mã (có biên độ 2,2Vpp) và ngõ ra khối giải điều chế (có biên độ 6Vpp) của MODEM Slave: Hình 12. Dạng sóng tín hiệu thu vào và giải điều chế thiết bị 3 III. KẾT LUẬN Từ kết quả thực nghiệm cho thấy các MODEM hoạt động ổn định. Người sử dụng có thể điều khiển trực tiếp trên MODEM bằng nút nhấn hoặc có thể điều khiển trực tiếp từ REMOTE. Phần mềm điều khiển hoạt động chính xác theo những yêu cầu điều khiển thiết bị điện và có báo phản hồi lại các thiết bị đã điều khiển. Một điều lý thú nằm trong ý đồ thiết kế đã đạt được đó là MODEM Master và MODEM Slave có thể điều khiển thiết bị điện một cách độc lập với lưới điện 220Vac. Thành công này sẽ giải quyết được vấn đề điều khiển đóng, ngắt thiết bị điện 3 pha, và có thể điều khiển thiết bị điện cho những nơi có dòng tải lớn do sử dụng cùng một lúc nhiều thiết bị. Sản phẩm nghiên cứu của đề tài có thể sản suất thương mại. Thiết bị này có thể được trang bị lắp đặt cho những ngôi nhà cao tần, chung cư, khách sạn, công ty, xí nghiệp tùy theo yêu cầu và vị trí lắp đặt các thiết bị điện. Sau khi được lắp đặt nó sẽ mang lại sự sang trọng và tiện lợi cho người quản lý. Giá thành của sản phẩm sau khi lắp đặt sẽ giảm đi rất nhiều so với việc lắp đặt sử dụng các cầu dao, công tắc, trong một số công trình như hiện nay. Tài liệu tham khảo [1]. KS. Ngô Anh Ba. Tính toán và ứng dụng mạch lọc tích cực. Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1995. [2]. PTS. Phạm Hồng Liên. Giáo trình điện tử thông tin, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Tp. Hồ Chí Minh, 1998. [3]. Tống Văn On. Vi mạch và mạch tạo sóng. Nxb Giáo dục, Tp. Hồ Chí Minh, 2000. [4]. PGS.TS. Nguyễn Hữu Phương. Mạch số. Nxb Thống kê, Tp. Hồ Chí Minh, 2000. [5]. Nguyễn Hồng Sơn. Kỹ thuật truyền số liệu, Nxb Lao động – Xã hội, Tp. Hồ Chí Minh, 2002. [6]. ROBERT BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY, Electronic device and circuit theory, Prentice-Hall, Inc, 803 pages, 1987. [7]. I.SCOTT MACKENZIE, The 8051 microcontroller, Prentice Hall Inc, New Jersey, 1995. [8]. Power Line Communications Technology Update, Echelon Corporation, May 2003. [9]. The need of European Standard for Power Line Communication in Home Appliance, June 2002, Trialog, France. [10]. Compatibility between radio communications services and power line communication systems. A position paper prepared by the RSGB EMC commitee for the PLC workshop in Brussel, 5 Mar 2001. [11]. C.J. SAVANT, Jr., Electronic design Circuits and Systems, The Benjamin/Cumings Publishing Company, Inc♦ . Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Mục tiêu của bài báo là nghiên cứu chế tạo MODEM điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện dân dụng. Sản phẩm sau khi chế tạo. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MODEM ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG QUA MẠNG LƯỚI ĐIỆN DÂN DỤNG KS. VÕ ĐỨC DŨNG Học viên cao học lớp KTĐT K13 PGS. TS. LÊ HÙNG LÂN Bộ môn Điều khiển học Khoa Điện. hồi lại các thiết bị đã điều khiển. Một điều lý thú nằm trong ý đồ thiết kế đã đạt được đó là MODEM Master và MODEM Slave có thể điều khiển thiết bị điện một cách độc lập với lưới điện 220Vac.