Disseny d'un dispositiu de baix cost per a la transmissió de dades a través de línies de potència

Abstract

En aquest projecte es proposa un sistema per a comunicar dades entre dos dispositius a través de la xarxa elèctrica (230VAC en Europa) d'una forma simple, assequible i oberta. En termes generals, aquest camp d’estudi es coneix com a Comunicació per Línies de Potència (PLC). Un dels principals reptes del projecte és el procés de modulació/desmodulació requerit per a encabir les dades dintre de la banda de freqüències permesa. Amb aquesta finalitat, s'utilitza una modulació simple de tipus On-Off-Keying (OOK) amb una portadora de 110 kHz. El capítol dedicat a les proves se centra en la comunicació entre endolls d’un habitatge, però el concepte es pot aplicar també al camp de la indústria per a la supervisió de màquines des d'una ubicació remota dintre de la planta d’una fàbrica. El projecte es divideix en tres àrees principals de desenvolupament: 1. Disseny d'un circuit auxiliar (cape) per a la plataforma BeagleBone Black (BBB). El dispositiu resultant funciona com a unitat de SUPERVISIÓ que gestiona els dispositius intel·ligents connectats a la línia de potència. El nucli del circuit auxiliar és un sistema frontal analògic (AFE) específicament dissenyat per a PLC, l’integrat AFE031, que inclou un DAC d’alta velocitat controlat mitjançant un bus SPI. Per a la recepció de dades, el sistema es basa en un ADC inclòs en el microcontrolador de la BBB. 2. Desenvolupament d’eines software per a la unitat de supervisió (com un oscil·loscopi o un analitzador de resposta en freqüència). Es fan servir en la fase d’anàlisis. El codi font (alliberat sota llicència GPL-3.0) es basa en Debian Wheezy, una distribució Linux compatible amb la BBB. 3. Disseny d’un circuit auxiliar (shield) per a la plataforma Arduino. El conjunt funciona com a dispositiu intel·ligent de NOTIFICACIÓ periòdica. Com a exemple pràctic, el circuit mesura la temperatura ambient, la mostra en un LCD de 2x16 i envia les dades per la línia d’alimentació en OOK. Aquest document té dos capítols principals: • Una descripció completa del disseny electrònic i del codi font. • Una exposició detallada de totes les proves efectuades, amb dos propòsits principals: ◦ Caracteritzar i validar l’electrònica i el codi font desenvolupats. ◦ Posar en relleu els principals problemes trobats en la comunicació a través de la línia elèctrica per a esbossar una guia amb propostes de millora.

En este proyecto se propone un sistema para comunicar datos entre dos dispositivos a través de la red eléctrica (230VAC en Europa) de una forma simple, asequible y abierta. En términos generales, este campo de estudio se conoce como Comunicación por Líneas de Potencia (PLC). Uno de los principales retos del proyecto es el proceso de modulación/desmodulación requerido para alojar los datos en la banda de frecuencias permitida. Con este fin, se usa una modulación simple de tipo On-OffKeying (OOK) con una portadora de 110 kHz. El capítulo dedicado a las pruebas se centra en la comunicación entre enchufes de una vivienda, pero el concepto se puede aplicar también en el campo de la industria para la supervisión de máquinas desde una ubicación remota dentro de la planta de una fábrica. El proyecto se divide en tres áreas principales de desarrollo: 1. Diseño de un circuito auxiliar (cape) para la plataforma BeagleBone Black (BBB). El dispositivo resultante funciona como unidad de SUPERVISIÓN que gestiona los dispositivos inteligentes conectados a la línea de potencia. El núcleo del circuito auxiliar es un sistema frontal analógico (AFE) específicamente diseñado para PLC, el integrado AFE031, que incluye un DAC de alta velocidad controlado por un bus SPI. Para la recepción de datos, el sistema se basa en el ADC incluido en el microcontrolador de la BBB. 2. Desarrollo de herramientas software para la unidad de supervisión (como un osciloscopio o un analizador de respuesta en frecuencia). Se utilizan en la fase de análisis. El código fuente (liberado bajo licencia GPL-3.0) se basa en Debian Wheezy, una distribución Linux compatible con la BBB. 3. Diseño de un circuito auxiliar (shield) para la plataforma Arduino. El conjunto funciona como dispositivo inteligente de NOTIFICACIÓN periódica. A modo de ejemplo, el circuito mide la temperatura ambiente, la muestra en un LCD de 2x16 y envía los datos por la línea de alimentación en OOK. Este documento tiene dos capítulos principales: • Una descripción completa del diseño electrónico y del código fuente. • Una exposición detallada de todas las pruebas efectuadas, con dos propósitos principales: ◦ Caracterizar y validar la electrónica y el código fuente desarrollados. ◦ Poner de relieve los principales problemas encontrados en la comunicación a través de la línea eléctrica para esbozar una guía con propuestas de mejora.

This project proposes a system to communicate data between two devices through the electrical network (230VAC in Europe) in an easy, affordable and open way (DIY-oriented). In generic terms, this topic is known as Power Line Communications (PLC). One of the main challenges of the project is the modulation/demodulation process required to accommodate the data into the allowed frequency band. For that purpose, a simple On-Off-Keying (OOK) modulation with a 110 kHz carrier is used. The chapter dedicated to the tests is focused on the communication between electrical outlets at home, but the concept can also be applied to the industrial scope to monitor machinery from a remote location within the factory floor. The project is divided into three main development areas: 1. Design of an auxiliary board (cape) for the BeagleBone Black platform (BBB). The resulting device works as a SUPERVISOR unit that manages the smart devices connected to the power line. The core of the cape is an Analog Front End (AFE) specifically designed for PLC, the AFE031, which includes a high-speed DAC operated by SPI. For data reception, the system relies on the ADC embedded in the microcontroller of the BBB. 2. Development of some software tools in the supervisor unit (as an oscilloscope and a frequencyresponse analyzer). They are used in the analysis phase. The source code (released under a GPL-3.0 license) is based on Debian Wheezy, a Linux-based distribution compatible with the BBB. 3. Design of an auxiliary board (shield) for the Arduino platform. The resulting assembly works as a smart device for periodic REPORTING. As a practical example, the shield senses the ambient temperature, displays it in a 2x16 LCD, and sends the data through the mains in OOK. This documentation has two main chapters: • A complete description of the electronic and software design. • A detailed exposition of all the tests done, with two main purposes in mind: ◦ Characterize and validate the electronics and the software developed. ◦ Highlight the main issues faced in the communication through the mains and propose some guidelines for future evolutions.