基于電力線載波通信的環境監測與電器控制網絡

方 華 ，蔡昌宏 ，秦志廣 ，甘 華

（1.廣西科技大學 工程訓練中心，廣西 柳州 545006；2.清華大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；3.來賓華錫冶煉有限公司，廣西 來賓 546100；4.廣西中煙工業有限責任公司南寧卷煙廠，廣西 南寧 530001）

0 引言

隨著計算機的日益普及，在室內以單片機為核心構成室內環境數據監測、家電與照明裝置控制系統[1-3]，是加強用電管理、節能降耗和實現家居的有效手段，已日益得到重視。而在現代倉儲中，倉庫內的溫濕度、氮氧含量等在貨物的存儲中起相當重要的作用，必須對其進行實時監測與遠程管理，以保障貨物不變質，同時車間的照明、設備集中遠程監控也是加強管理、節能降耗的重要手段之一。基于此，本文提出以單片機為核心構成電器本地開關控制和環境數據采集裝置，采用電力載波通信技術，構建以PC機為集中控制器的電器控制與室內溫濕度等環境參數監測網絡，實現倉庫、車間電器集中控制與管理，優化倉庫的倉儲條件。在數據的傳輸中選擇電力線作為傳輸媒介具有以下優點：（1）利用現有低壓電力線作為數據傳輸媒介，無需重新架設網絡，維護量小，成本低；（2）由于數據傳輸在有限空間范圍內進行，在很大程度上降低了電力載波通信的局限性的影響；（3）可以靈活改變電器位置。

1 控制網絡結構

控制網絡結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

網絡由PC機、電力線載波通信模塊、若干個并接在電力線上的電器開關控制與環境參數采集模塊（圖中稱為控制模塊）、環境參數檢測傳感器、受控電器等構成。在同一臺變壓器下，多個控制模塊可并接在同一電力線上，以PC機為主控制器，構成一小型智能電器網絡，不僅可以使用傳統的開關手動直接控制電器的啟停，也可通過PC機對電器實現遠程集中自動控制，并可實時監測環境，操作簡單，控制靈活。電力載波模塊采用了目前比較成熟的電力載波通信模塊BWP10A，該系列載波模塊性能穩定，體積小巧，集成度高，使用方便，在無需重新架設網絡的基礎上可實現數據的可靠傳輸。

2 環境監測與電器控制

網絡中的控制模塊硬件結構如圖2所示，該模塊以STC12C5A60S2系列單片機為控制核心，其主要功能：一是可通過手動開關控制電器的啟停；二是可通過BWP10A電力載波調制解調器接收PC機的操作命令自動遠程控制電器的啟停；三是可采集和發送環境數據到主控制器上。本地開關的數量和傳感器的類型可根據實際需要進行配置，靈活可靠。

圖2 控制模塊硬件結構

2.1 環境參數監測

實驗中采用溫度傳感器DS18B20監測室內溫度。溫度傳感器DS18B20是一個數字量輸出的溫度傳感器，具有獨特的一線接口，且該傳感器的驅動程序的編寫相對簡單，可用現成的驅動模塊，加快了系統的開發速度。DS18B20的測量溫度范圍為-55℃～+125℃，測溫精度為±0.5℃，完全可以滿足一般的室內測溫需求。

DS18B20接單片機的P3.4口，采集到的環境參數可通過電力載波模塊傳送到PC機上實時顯示。

根據倉庫、車間環境控制的實際需求還可增加濕度、氧氣含量等傳感器，監測倉庫、車間環境參數，據此可通過遠程控制裝置控制相應的空調等電器裝置的運行狀況，優化倉庫的倉儲條件。

2.2 電器控制

如圖2所示，實驗中一個控制模塊接8個手動開關和8個輸出控制繼電器，手動控制開關接在P0.0～P0.7，輸出控制繼電器接在 P2.0～P2.7，通過控制 P2.0～P2.7的輸出電平可控制繼電器的通斷，從而控制電器的啟停，控制電路如圖3所示。電器控制有手動開關控制與基于電力載波通信的PC機遠程控制兩種方式。PC機上會實時顯示電器的運行狀態，PC機操作與顯示界面如圖4所示。

圖3 輸出控制電路

圖4 PC機用戶操作界面示例

3 基于電力線載波的數據通信

本系統以BWP10A嵌入式電力線調制解調器[4]實現網絡內PC機和單片機之間的數據交換，傳輸的數據包括控制指令、電器狀態、溫度等環境參數。系統采用主從工作方式，PC機為主控設備，電器開關控制與溫度數據采集模塊為從機設備，各從機設備獨立編址，互不干擾。

3.1 電力載波模塊與PC機和單片機的連接

BWP10A嵌入式電力線調制解調器采用TTL電平串行接口，可直接與單片機的串口 P3.0、P3.1連接，與 PC機的RS232串口連接時需進行電平轉換，在此選擇MAX232作為電平轉換芯片。BWP10A電力載波模塊提供半雙工通信功能，可以在220/110 V，50/60 Hz電力線上實現局域通信。

3.2 基于電力線載波的數據通信

3.2.1 數據通信協議

BWP10A電力載波模塊可以自由配置電力線上數據通信模式，目前有兩種通信模式可供用戶選擇：固定字節長度傳輸和固定幀長度傳輸。該模塊為用戶提供了透明的數據傳輸通道，數據傳輸與用戶協議無關，模塊采用擴頻編碼方式，抗干擾能力強，傳輸距離遠，數據傳輸可靠。通信過程中，由用戶通信協議保證數據傳輸的可靠性。

本系統使用固定字節長度傳輸方式，數據幀的總長度為10 B，數據域為1 B。幀格式的詳細說明見表1。

表1 幀格式定義

3.2.2 數據校驗

為保證數據的可靠性，采用CRC（循環冗余碼）進行數據校驗，其基本思想是利用線性編碼理論，在發送端根據要傳送的k位二進制碼序列，根據生成多項式G（X）產生一 r位校驗碼（即 CRC碼），構成一個新的（k+r）位二進制碼后進行發送，接收端接收數據后，將接收到的二進制序列碼（包括信息碼和CRC碼）除以相同的生成多項式 G（X），如果余數為 0，則說明數據傳輸正確，否則說明傳輸有誤，可申請重新發送。CRC校驗法出錯的概率幾乎為零，是數據通信中普遍采用的通信規約之一。實驗中16位CRC碼計算公式為：

其中B（X）表示要發送的二進制序列數（從幀頭到校驗和，共 8 B），G（X）為生成多項式，按 CRC-CCITT取 G（X）=X16+X12+X5+1，運算結果中的 R （X） 即為 CRC碼，實際編程時采用按半字節求CRC的算法。

4 PC機集中控制與環境監測

PC機電器遠程控制與環境監測軟件以VB為開發工具，設計了基于電力載波的數據通信、控制與顯示等程序和人機界面。在操作界面中，如圖4所示，設計了電器狀態顯示圖標，可實時顯示電器的運行狀態，使用操作按鈕可控制對應電器的運行，在數據窗口中可實時顯示控制模塊采集到的環境參數，軟件具備對各電器的分類查詢功能，可及時了解網絡內所有電器的狀態。

實際測試使用本地開關和控制用計算機分別控制白熾燈的狀態，設置了多種組態，測試結果表明手動開關與PC機指令能按照控制要求獨立且一致地控制白熾燈的開關，且溫度檢測準確，數據傳輸可靠，電器狀態與溫度參數顯示正常，界面友好，操作方便。

5 結束語

基于電力載波通信的計算機電器控制網絡運用計算機技術、低壓電力線載波通信技術、自動檢測技術實現了電器的集中控制和環境參數的采集與實時顯示，通過一臺計算機即可有效監測車間、倉庫的環境，優化對車間、倉庫等的電器、設備管理，節能降耗。整個裝置操作方便，控制快捷。

[1]趙玉璽，曹衍龍，俞天白，等.基于電力線載波通信的照明控制系統設計[J].工業控制計算機，2005，18（8）：11-12.

[2]許敏.基于電力載波通信的家電控制系統[J].河北科技大學學報，2007，28（4）：281-284.

[3]李曉廣，賈占嶺.基于電力載波的家電遠程控制[J].現代電子技術，2007，269（6）：47-49.

[4]深圳市必威爾科技有限公司.單相電力線載波調制解調器BWP10A產品說明書[Z].2013.