CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006 27

�

Aplica�ie LabVIEW pentru automatiz�ri utilizând re�eaua electric� din cl�diri

Ioan LI��, Daniel Alexandru VI�AN

����������������� ���������������������������������� �������������������������������������������� !"�#" ��

�$���%���&�'����������&�'������

�Rezumat— În aceasta lucrare este prezentat� o aplica�ie LabVIEW dedicat� controlului comunica�iei a dou� modemuri care realizeaz� transmisii de date folosind liniile de tensiune din interiorul cl�dirilor. Sistemul permite implementarea conceptului de “cas� automatizat�”, concept ce presupune comanda de la distan�� a func�ion�rii unor aparate electrice de uz casnic, monitorizarea �i controlul inc�lzirii �i al climatiz�rii din diferite înc�peri, realizarea unor transmisii de date între dou� calculatoare sau al unor comunica�ii vocale locale. Avantajul principal al acestei solu�ii este reprezentat de existen�a firelor si prizelor deja instalate fapt ce reduce considerabil costurile legate de mediul de comunica�ie. Aplica�ia de control realizat� în mediul de programare grafic� LabVIEW beneficiaz� de flexibilitate �i ofer� o interfa�� prietenoas�, u�or de utilizat. In realizarea practic� este utilizat circuitul specializat ST7537 ce folose�te o frecven�� purt�toare de 132.45kHz, modula�ie FSK, vitez� maxim� de transmisie 2400 bps, separare galvanic� cu transformator.

Cuvinte Cheie— automatizare, instrumenta�ie virtuala, comunica�ii. �

1. INTRODUCERE

Conceptul de cas� automatizat� a fost introdus odat� cu apari�ia circuitelor specializate capabile s� realizeze acest lucru, în acest domeniu aparând ulterior a mare diversitate de aplica�ii. Re�elele de comunica�ii din intermediul locuin�elor utilizeaz� infrastructura deja

existent� pentru leg�turi între diferitele dispozitive utilizate într-o locuin��, fiind fezabile si competitive ca pre�, comparativ cu alte solu�ii, aceasta �i descoperirilor în tehnologia comunica�iilor si a fabric�rii circuitelor integrate [4].

�

Fig. 1 Principalele aplica�ii ale unui sistem de automatizare bazat pe comunica�ii de date utilizând liniile de alimentare cu energie electric� din interiorul unei cl�diri.

28 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

�

Fiecare echipament dintr-o locuin�� func�ioneaz� independent fa�� de altele �i fiecare prezint� butoane de control diferite, dispozitivele fiind înconjurate de diferite subsisteme �i ele cu func�ionare independent�.

Un dispozitiv care s� asigure o leg�tur� de date stabil� �i sigur� în interiorul unui apartament sau al unui birou de dimensiuni rezonabile (câteva camere amplasate pe unul sau dou� niveluri), f�r� a fi necesar� o cablare special� î�i poate g�si o mul�ime de aplica�ii printre care se pot enumera comanda de la distan�� a func�ion�rii unor aparate electrice de uz casnic precum aerul condi�ionat, instala�ia de iluminat etc. La fel de u�or se poate realiza, în cazul unei companii de dimensiuni mici sau medii, o serie de automatiz�ri foarte utile �i eficiente cum ar fi un panou amplasat la secretariat care s� permit� monitorizarea continu� a persoanelor din firm� aflate la un moment dat în birourile lor �i dac� sunt disponibile pentru a r�spunde la telefon ori un sistem de monitorizare a temperaturii din diferite înc�perii.

Folosind instrumenta�ia virtual� se pot realiza sisteme de m�surare �i automatizare deschise, performante, cu un spectru larg de aplicabilitate. LabVIEW, prin facilit��ile pe care le ofer� reprezint� o solu�ie viabil� pentru dezvoltarea de astfel de sisteme în domeniul automatiz�rilor dintr-o cas�.

Folosind mediul de programare grafic� LabVIEW se pot realiza aplica�ii complexe, performante, într-o manier� simpl� �i elegant� având în acela�i timp o flexibilitate ridicat� �i un cost relativ redus. Programele în LabVIEW sunt bazate pe conceptele de modularizare �i ierarhie arborescent�. Un instrument virtual creat poate fi folosit ca o aplica�ie de sine st�t�toare sau poate fi folosit ca un subinstrument virtual în realizarea unui alt instrument virtual (IV). Practic subIV-ul are rolul unei subrutine în programul principal [6], [7].

Interfa�a grafic� a unui astfel de sistem de automatizare trebuie sa fie simpla si u�or de utilizat.

LabVIEW este �i din acest punct de vedere un excelent mediu de programare, oferind prin bibliotecile sale toate componentele necesare unei astfel de aplica�ii.

2. CIRCUITE PENTRU AUTOMATIZ�RI UTILIZÂND RE�EAUA ELECTRIC� DIN CL�DIRI

Principalele componente ale unui sistem de automatizare folosind re�eaua de alimentare cu energie electric� sunt urm�toarele:

� Sta�ia gazd� (Host Station) – reprezint� elementul de decizie al sistemului si este de obicei un calculator cu legatura si la Internet pentru a permite controlul acestuia de la distan�e mari.

� Transceiverul PLC (Power Line Communication) – este un dispozitiv de comunica�ie care asigur� transferul comenzilor de la Sta�ia gazd� c�tre dispozitivele controlate, având fiecare unit��i de interfa�are specifice.

� Unit��ile de interfa�are ale dispozitivelor comandate (Appliances Interface Units - AIU) asigur� controlul dispozitivelor conectate la sistemul de automatizare. Sunt disponibile unit��i de interfa�are pentru controlul diferitelor aplica�ii (controlul tensiunii la prize, al înterup�oarelor, transmisia datelor etc).

In aceast� lucrare este descris� aplica�ia LabVIEW ce ruleaz� pe sta�ia gazd� �i sunt date cateva detalii despre transceiver.

Pentru a utiliza re�eaua de distrbu�ie a energiei electrice dintr-o locuin�� pentru automatiz�ri este nevoie de un circuit integrat care s� transmit� date prin reteaua de curent în condi�ii de izolare galvanic� �i far� sa produc� perturba�ii aparatelor deja aflate în priz�.

�

Fig. 2 Configura�ia tipic� a unui sistem de automatizare si comunica�ie cu TDA5051utilizând liniile de alimentare cu energie electric� dintr-o locuin��.

I. LI��, D. A. VI�AN – APLICA�IE LABVIEW PENTRU AUTOMATIZ�RI UTILIZÂND RE�EAUA ELECTRIC� DIN CL�DIRI 29

De asemenea trebuie s� existe posibilitatea ca circuitul de transmisie s� poat� fi conectat la un microcontroller sau un calculator pentru a putea implementa u�or un protocol de comunica�ie cu celelalte dispozitive.

Cele mai cunoscute circuite pentru automatiz�ri prin liniile electrice sunt TDA5051 si ST7537. Acestea sunt compatibile doar la nivelul principiului de functionare dar au structur� diferit�. Deosebirile apar atat la modul de conectare si interfatare cu un microcontroler sau direct cu interfata seriala (ST7537) cat si la rata de transmisie care este de maximum 1200 baud la TDA5051 si 2400 la chipul ST7537.

Problemele acestor circuite sunt legate de impedanta retelei si existen�a zgomotului care la nivele prea mari pot sa le perturbe func�ionarea.

Frecventa purtatoarei care este injectat� în re�ea este de 132.45kHz pentru ST7537 în conformitate cu standardul european CENELEC EN 50065 care specific� folosirea pentru frecven�a purt�toare folosirea ecartului 125kHz - 140kHz pentru automatizari în cl�diri utilizand re�eaua electric�.

Cu cat aceasta frecventa este mai bine generata si nu prezinta armonici cu atât zgomotele �i perturba�iilor sunt mai mici. Aceste circuite pot comunica si transmite comenzi doar în cadrul aceleia�i cl�diri, deci punctele de conectare trebuie s� se afle la distan�e de ordinul sutelor de metri cel mult. Pterea injectat� în re�ea este mic� (pentru a evita perturbarea altor aparate) �i se disip�, ea distribuindu-se de la un punct de transmitere practic în toata re�eaua.

Posturile de transformare actioneaza ca o bariera, frecventa purt�toare de 132 KHz fiind prea mare pentru a putea trece prin filtrul trece jos echivalent corespunz�tor acestora. Al doilea aspect este legat de supratensiunilecare apar pe orice retea de alimentare cu tensiune. Aceste circuite trebuie protejate de eventualele varfuri de tensiune care apar în mod frecvent. Circuitul ST7537 folose�te modula�ia FSK iar TDA5051 folose�te modula�ia ASK. Exist� si circuite care folosesc modula�ii cu spectru extins pentru transmisia pe re�ea.

Circuitul utilizat în aplica�ia de fa�� este ST7537. Acesta este un modem asincron FSK, half duplex, cu viteza maxim� de transmisie 2400bps, sensibilitate 1mVrms, alimentat la 10V.

Frecven�ele de transmisie sunt: - f(TxD=0) = 133.05kHz - f(TxD=1) = 131.85kHz Aceste dou� frecven�e sunt sintetizate cu un cuar� de

11.0592MHz cu precizie de 100ppm. Conexiunea cu PC-ul este realizat� prin interfa�a serial� RS232, iar comunica�ia este contrlat� prin aplica�ia LabVIEW ce ruleaz� pe PC.

3. APLICA�IA LABVIEW

Panoul frontal al aplica�ie este prezentat în Figura 3. Principalele controale disponibile pe acest panou sunt cele legate de configurarea portului de comunica�ie serial� al PC-ului, set�rile acestuia trebuind s� corespund� posibilit��ilor circuitului ST7537. Aplica�ia prezentat� asigur� doar transmisia comenyilor c�tre un alt dispozitiv conectat la linie, acesta la rânsul s�u trebuind s� aib� capacitatea de a lucra cu formatul serial al datelor transmise.

�

Fig. 3 Panoul frontal al aplica�iei.

�

Fig. 4 Deschiderea portului serial �i configurarea parametrilor de comunica�ie.

Alegerea modului de func�ionare (Transmisie Comenzi sau Recep�ie Comenzi) se realizeaz� din comutatorul Mod, starea curent� fiind afi�at� cu ajutorul a dou� indicatoare (Rx �i respectiv Tx).

Figura 4 prezint� secven�a de cod LabVIEW respon-

30 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

�

sabil� deschiderea �i configurarea porttului serial. Este folosit un bloc universal de tip VISA preluat din biblio-teca LabVIEW.

Diagrama principal� a aplica�iei este prezentat� în Figura 5. Ea este compus_ dintr-o secven�� de trei pa�i. In primul pas se face ini�ializarea comunica�iei seriale

prin deschiderea portului serial selectat. Urm�toarea secven�� con�ine programul propriu-zis, iar ultima secven�� închide comunica�ia serial�. Pentru comunica�ia �i controlul modulului cu ST7537 s-au folosit numai func�ii din biblioteca pune la dispozi�ia utilizatorilor.

�

Fig. 5 Diagrama bloc a instrumentului virtual pentru controlul comunica�iei cu modulul implementat cu ST7357.

4. CONCLUZII

Un dispozitiv care s� asigure o leg�tur� de date stabil� �i sigur� în interiorul unui apartament sau al unui birou de dimensiuni rezonabile (câteva camere amplasate pe unul sau dou� niveluri), f�r� a fi necesar� o cablare special� poate avea o mul�ime de utiliz�ri.

Aplica�ia LabVIEW prezentat�, împreun� modulul hardware implementa în jurul circuitului dedicat ST 7537 permite implementarea conceptului de “cas� automatizat�”, concept ce presupune comanda de la distan�� a func�ion�rii unor aparate electrice de uz casnic, monitorizarea �i controlul inc�lzirii �i al climatiz�rii din diferite înc�peri, realizarea unor transmisii de date între dou� calculatoare sau al unor comunica�ii vocale locale.

Avantajul principal al acestei solu�ii este reprezentat de existen�a firelor si prizelor deja instalate fapt ce reduce considerabil costurile legate de mediul de comunica�ie.

Aplica�ia de control realizat� în mediul de programare grafic� LabVIEW beneficiaz� de flexibilitate �i ofer� o interfa�� prietenoas�, u�or de

utilizat. Circuitul folosit se bazeaz� pe modula�ia FSK, fapt ce

îi confer� o foarte bun� rezisten�� la multiplele perturba�ii din re�eaua electric�.

BIBLIOGRAFIE

[1]. P. K. Van Der Gracht, R. W. Donaldson, Commu-nication Using Pseudonoise Modulation on Elec-tric Power Distribution Circuits, IEEE Trans. on Commun., vol. COM-33, pp. 964-974, Sept. 1985.

[2]. K. M. Dostert, Frequency-Hopping Spread-Spectrum Modulation for Digital Communications Over Electrical Power Lines, IEEE on Selected Areas in Commun., vol. 8, pp. 700-710, May 1990.

[3]. J. S. Chow, J. C. Tu, and J. M. Cioffi, A Discrete Multitone Transceiver System for HDSL Applica-tions, IEEE on Selected Areas an Commun., vol. 9, pp. 895-908, Aug. 1991.

[4]. ST7537 Data sheet, SGS-Thomson Microelectron-ics.

[5]. TDA5051 Data sheet, Philips Semiconductors.