基于電力線載波的農業物聯網節點和集控器設計

張向飛，丁永生，王運圣（上海市農業委員會信息中心，上海　005；東華大學，上海　0005；上海市農業科學院農業科技信息研究所，上海數字農業工程技術研究中心，上海　040）

基于電力線載波的農業物聯網節點和集控器設計

張向飛1，2，丁永生2，王運圣3*
（1上海市農業委員會信息中心，上海200335；2東華大學，上海200051；3上海市農業科學院農業科技信息研究所，上海數字農業工程技術研究中心，上海201403）

提出了一種基于電力線載波技術的農業物聯網集控器和測控節點的設計方案，主要介紹采用單片機和PLCC設計集控器和測控一體節點的電路板方案與軟件功能，并對其性能與特點進行討論。采用電力線載波通訊技術組成的測控系統，只要簡單地把集控器和節點接在同一根電力線上，它們就可以通過自定義的通信協議進行互聯、通信。集控器主要功能：負責與上位機通信，通過觸摸液晶顯示屏查看節點采集上傳的信息，發送控制信息給節點。節點主要功能：通過連接在節點上的不同類型傳感器，對農業土壤和環境信息的實時采集和傳輸；節點接收到集控器下發的控制信息，執行模塊和機構對農業設施大棚和溫室、水肥一體化等設施設備進行控制。系統的應用會對農業節本增效、控制農業面源污染等起到積極的作用。

電力線載波通信；農業物聯網；集控器；節點

電力線載波通信（Power line carrier communication）出現于20世紀20年代初期［1］，是利用已有的低壓配電網作為傳輸媒介，實現數據傳遞和信息交換的一種手段［2］。電力線通信方式發送數據時，發送器先將數據調制到一個高頻載波上，再經過功率放大后通過耦合電路耦合到電力線上［3］。輸電線在輸送工頻電流的同時傳送載波信號，既經濟又十分可靠。信號頻帶峰峰值電壓一般不超過10 V，不會對電力線路造成不良影響［4］。在以數字微波通信、衛星通信為主干線的覆蓋全國的電力通信網絡已初步形成、多種通信手段競相發展的今天，電力線載波通信仍然是全球電力系統應用區域最廣泛的通信方式，是電力通信網重要的通信手段［5］。

在技術上，當前的電力線載波通訊不再是點對點通訊的范疇，而是突出開放式網絡結構的概念，使得每個控制節點（受控設備）組成一個網絡進行集中控制［6-7］。在電力線載波應用上具有網絡協議及網絡概念的企業不多，國外的有Echelon公司的Lonworks網絡［8］，國內的有KaiStar（凱星電子）電力線載波遠程智能控制系統［9］，Risecomm（瑞斯康）公司的瑞斯康智能控制網絡［10］。他們的網絡協議都是根據國際標準協議EIA 709.1，EIA 709.2編寫的［11］。電力線載波通信在遠程抄表，路燈遠程監控、工業智能化、智能建筑等方面傳統領域應用廣泛［12-14］。

隨著互聯網和智能家居的發展，智能家居行業也優先考慮用電力線作載體傳輸控制信號，目前最普遍應用是一個開放的國際家居自動化標準X10，它通過普通家庭電力線網來傳輸控制信號，實現對家庭電力線網上的燈和家用電器的各種智能控制。是起源最早、設備最便宜和最容易實現的技術［15］。在美國，有35%的美國家庭在使用X10智能家居產品，現在基于X10的智能家居產品是世界應用最廣泛的智能家居產品［16］。

農業物聯網是農業生產方式變革的重要支撐，利用物聯網技術改造傳統農業、裝備農業是推動信息化與農業現代化融合的重要切入點［17］，是現代農業發展的重要方向。農業物聯網也是農業大數據的重要數據來源之一。目前，農業物聯網的發展還處在不斷摸索完善的階段，需要引進其他行業應用的成熟技術，進行消化、吸收、發展和創新，研發具有自主技術的農業物聯網核心技術，從軟件系統和硬件系統上獲得突破，創造出符合國情的實用型農業物聯網系統。

1　電力線載波技術概述

電力線載波是電力系統特有的通信方式，電力線載波通訊是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。近年來，隨著數字電子技術的發展，電力行業傳統的電力線載波通信技術己經開始向數字化方向發展。數字電力線載波采用正交頻分多路復用技術調制、前向糾錯、交叉糾錯、自動重發和信道編碼等技術，具有多信道傳輸、較高傳輸速率、有效頻譜利用率和較強抗突發干擾噪聲能力等特點，可以保證信息傳輸的穩定可靠。電力線載波最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞。

農業物聯網系統中引入電力線載波技術，可以利用現成的供應節點電力線傳輸數據。相對于傳統的有線電纜物聯網測控制系統，不需要專門鋪設232、485或CAN總線等測控線路，基于電力線載波通信技術的測控制系統硬件成本和施工難度能夠大大降低［18-19］。相比較無線方式的農業物聯網應用，電力線載波一方面可以用電纜線為節點和控制設備供電，解決無線節點的能耗電源問題，降低了節點的成本，另一方面又可以提高數據傳輸的穩定性。

基于電力線載波通信技術的優點，本研究設計了基于電力線載波技術的農業物聯網測控系統，設計分為集控器和節點，共同構成星狀網絡結構，實現由點及面的控制方式，作為現有的農業物聯網系統硬件的補充。

2　電力線載波基本原理

2.1傳輸方式

電力線載波通信是通過將信號頻率變換到適合線路傳輸的較高的頻率上傳送給對方，對方接收到信號后再經過反變換的方式恢復成原來信號（圖1）。

通常傳送上邊帶（F+f）、下邊帶（F-f）兩個邊帶和載頻分量的方式稱為雙帶制，只傳送一個邊帶，另一個邊帶與載頻被抑制的方式稱作單邊帶抑制載頻傳輸。本研究采用單邊帶抑制載頻傳輸方式。

載波通信為實現載波通信系統的雙向通信，通常傳輸方式有兩種：一是采用雙頻帶二線制傳輸，在同一對導線上，兩個傳輸方向上采用兩個不同的傳輸頻帶，以區分收信和發信兩種不同的信號；二是單頻帶四線制傳輸方式，兩個傳輸方向上采用相同的傳輸頻帶。本研究采用雙頻帶二線制傳輸。

2.2 擴頻通信

擴頻通信是用偽隨機編碼將待傳送的信息數據進行調制，實現頻譜擴展后再傳輸，在接收端則采用同樣的編碼進行解調及相關處理，其工作原理如圖2所示。

根據香農公式：C=W×log2（1+P/N），公式中 C為信道容量，W為頻帶寬度，P/N為信噪比。式中指出，頻帶W和信噪比P/N是可以互換的，這意味著如果增加頻帶的寬度，就可以在較低的信噪比的情況下用相同的信息率以任意小的差錯概率來傳輸信息。這就是用擴展頻譜的方法獲得的好處，也是擴頻通信的核心所在［20］，本研究也采用擴頻通信的方式。

圖1　變頻器示意圖Fig.1　Schematicdiagram of frequency converter

圖2　擴頻技術原理Fig.2　Schematicdiagram ofspreadspectrum technology

2.3壓降計算

直流電力線載波的應用中，在項目正式實施前能準確的計算出線上的直流壓降是項目在現場能否穩定運行的基本保證。在計算點對點直流線上壓降時，根據U=I×R公式，恒定的功率需求條件下，公式里帶入遠端節點的I和U不同時，線上壓降值是不同的。在計算中只知道遠端節點連接的傳感器和設備的工作功耗以及待機功耗，P=U×I會有多種U×I的組合。用逼近算法，通過增量來盡可能多的帶入多種P=U×I的組合。主機的電壓曲線都是V字曲線，最大值往往很高，也會有個最低值。這個最低值就是工程上需要考慮的值。由于直流載波項目的直流電源是恒壓源，在遠端設備受電后其電流是經歷從零逐步上升的過程，所以當U×I=P滿足遠端設備需求后電流就不再增加了，此時的點對應的就是該V字曲線的波谷的位置。通過壓降計算得出，本研究采用36 V直流輸出，保障每個集控器管理和連接128個節點，可以滿足生產上的實際需求（圖3，引自www.bestrong-tech.com/page78.html？article_id=6）。

圖3　計算線上壓降的V字結果曲線Fig.3　V word result curve for calculating the pressuredrop on the line

3　系統總體設計

3.1集控器和節點連接

本系統設計分為兩大部分（圖4）：集控器和節點，分別使用集成在兩者內部的電力線載波模塊實現集控器和節點之間的通訊，電力線載波模塊是以電力線作為傳送信號媒介，這樣的傳送途徑可以使信號受到更小的干擾。

3.2系統設計架構

集控器由數字鍵盤、觸摸液晶屏、開關電源電路、單片機處理、電力線載波等模塊組成（圖5）。

圖4　集控器和節點連接示意圖Fig.4　Schematicdiagram of centralized controller and node connection

圖5　系統架構圖Fig.5　System architecturediagram

感知模塊由單片機處理模塊、電力線載波電路、傳感器變送和控制信號輸出等模塊組成。

整個系統的控制可以集控器端使用觸摸屏或數字鍵盤來實現現場的人工控制管理，也可以通過上位機派發管理指令實現自動管理和智能管理，也可以通過pc端或移動端連接到云端來實現遠程的管理和控制功能。

以現場管理為例，通過在集控器LCD屏幕上觸摸選擇，產生中斷信號，經芯片處理后，轉換為各個控制信號，由芯片的串口發出，通過電力線載波模塊將信號加載至電力線，然后和節點進行通訊，也就是控制信號流動到了節點的執行模塊和感知模塊的接收電路部分。接收電路首先將信號通過電力線載波模塊解調后送入單片機。執行模塊經過單片機處理和識別，繼而通過單片機控制可控硅來實現對用電設備的控制。在感知模塊中經過單片機信息處理，控制傳感器各種數據的采集和發送。

系統提供了三種控制方式：智能控制、自動控制和人工控制。人工控制是在集控器的液晶屏上顯示出控制頁面，由用戶直接操作的控制，很大程度上方便用戶的使用和提高了系統的適應性。系統實現了集控器與節點之間的集中化、網絡化、智能化控制。

4　系統硬件結構的設計

4.1集控器硬件電路設計

集控器主控板設計：提供BOOTLOADER燒錄接口spi對Atmel 2560編程控制；設計的通訊模塊可以兼容電力線載波通訊模塊及藍牙、WiFi、ZigBee等各種無線通訊模塊；集控器應用電力線載波通訊時由開關電源模塊供電，采用無線通訊模塊時，由外部電源供電；提供12key的GPI接口（3×4陣列）；提供TTL串口觸摸屏接口（主板供電）；支持串口升級軟件（圖6）。

圖6　集控器設計圖Fig.6　Schematicdiagram of centralized controller

集控器通訊模塊設計（圖7）：對應主控模塊兼容無線模塊針腳定義，可以根據實際使用替換；提供向主板模塊12 VdC輸出；支持9—36 VdC，20 A外部電源輸入；支持9—36 VdC，20 A的2線制直流電力線載波輸出。

圖7　測控節點設計圖Fig.7　Schematicdiagram of node

4.2集控節點硬件電路設計

測控節點硬件框架和集控器一樣，也選擇相同的芯片，通過對不同針腳的定義來提供不同的功能，進一步降低了硬件設計成本和產品生產成本。

測控節點主控板設計：提供BOOTLOADER燒錄接口spi對Atmel 2560編程控制；設計的通訊模塊可以兼容電力線載波通訊模塊及藍牙、WiFi、ZigBee等各種無線通訊模塊；集控器應用電力線載波通訊時由開關電源模塊供電，采用無線通訊模塊時，由外部電源供電；支持串口升級軟件；提供6路傳感器輸入接口和2路控制輸入接口。

測控節點通訊模塊設計：對應主控模塊兼容無線模塊針腳定義，可以根據實際使用替換；提供向主板模塊12 VdC輸出；支持9—36 VdC，20 A的2線制直流電力線載波輸入。

4.3用戶系統采用串行接口

電力線載波模塊使用TTL電平串口與用戶系統進行連接，并使用交叉連接方式進行連接，通訊采用收、發、地三線制方式。本研究的用戶系統也采用TTL電平串口，可以直接使用單片機的串行接口與模塊進行交叉連接通訊，無須RS 232電平轉換（圖8）。

圖8　用戶系統與載波模塊通訊連接Fig.8　The communication connection between the usersystem and the carrier module

5　系統軟件設計

系統軟件分為集控器和測控節點的嵌入式軟件、上位機軟件、云端軟件和移動端軟件等四大部分。云端軟件一套，可以和分散在各地的上位機同時進行數據和信息的交互，每個上位機可以管理和控制若干個集控器，每個集控器可以管理和控制若干個測控節點。本文僅簡要介紹集控器和測控節點的嵌入式軟件設計。

5.1集控器嵌入式軟件設計

通過對電力線載波調制解調模塊、MCU芯片、液晶屏和電源電路性能分析，軟件執行流程為：上電后，先和上位機連接通訊，獲取上位機下發的配置表和控制指令，通過MCU芯片處理，將控制終端命令借助電力線載波電路調制到電力線發送出去，實現執行模塊的控制。MCU芯片通過串口接收電力線載波調制解調模塊解調下來的信息，并且對信息解釋、處理和顯示。在MCU芯片中嵌入多任務、占先式實時操作系統，實現系統對實時性和多任務的要求。

圖9　集控器主流程圖Fig.9　Flow chart of centralized controller

對于整個系統來說，集控器處于核心地位，一個集控器可以和多達128個測控節點構成一個星狀結構，實現一對多的控制，是典型的基于電力線載波通信組成的網絡控制系統。集控器實現了各種信息的接收、計算與顯示、解釋和處理、發送終端設備的控制命令等功能，信息的采集則要從感知模塊得到，終端設備命令的由執行模塊響應，實現了閉環控制（圖9）。

數據在電力線上是廣播式傳送，集控器會收到與電力線相連接的所有測控節點發送的信息，必須要能確定每個節點身份，分別編上節點地址，才能對測控節點發送的信息進行檢索和鑒別，防止信息接收的混亂。

5.2測控節點嵌入式軟件設計

測控節點軟件分為數據采集模塊和命令執行模塊（圖10、圖11）。

數據采集模塊：程序初始化后通過讀取接口獲得本機地址，然后等待串行中斷，接收數據，然后根據主控芯片的解釋和處理，發送傳感器數據。內部還設置了驅動事件，如發生高溫高濕，感知模塊自動發送采集數據，實現環境的監控。

命令執行模塊：程序進行初始化，然后依次校驗地址碼，校驗完后依次校驗命令字，校驗結束后依次轉入相對應的程序，將編碼通過接口送入控制芯片，繼而控制設備。

圖10　數據采集模塊流程圖Fig.10　Flow chart ofdata acquisition module

圖11　執行模塊流程圖Fig.11　Flow chart of execution module

6　結論

本研究目前已完成硬件設計，并用測試板搭建了測試環境，將集控器和10個測控節點通過36 VDC電力線上，電力線上每個測控節點之間距離100 m，在集控器發送不同的控制數據和觀察采集的傳感器數據。測試結果表明，數據采集模塊傳送給集控器的傳感器數據正確、可靠，命令執行模塊對控制命令的響應比較快，無錯誤，無數據丟失，測控節點的傳感器數據采集和所帶負載都正常工作，并與本機地址相匹配。集控器可以正常和上位機通訊，把上位機的控制信息下發到指定的測控節點；可以接收、鑒別出測控節點上傳的數據，并正常顯示，總體上整個系統工作穩定可靠，各模塊通信無數據丟失。

目前完成了核心器件及分模塊的詳細設計和調測，后續要完成：（1）電路、程序和外殼設計，電路設計需要完成原理圖文檔、PCB圖文檔、研發料單、電路調試報告、調試手冊、硬件測試文檔。程序設計需要完成程序燒錄文件、程序修改文件。外殼設計需要完成CAD圖文檔，組裝機械料單。（2）進行系統聯調，系統聯調需要完成系統聯調報告。（3）批量生產產品。（4）上位機軟件、云端和移動端軟件的研發。

基于電力線載波通信的農業物聯網集控器和測控節點的設計實現，是農業物聯網傳統通訊控制方式新的嘗試。在農業物聯網通訊控制系統的實施過程中，特別是存在較多的測控節點環境中，采用電力線載波技術的系統架構不需重新布線，不僅能夠滿足實時性，可靠性和兼容性要求，也具有良好的抗干擾作用和低廉的應用成本。

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（責任編輯：張睿）

Design of agricultural internet of things node and controller based on power line carrier communication

ZHANG Xiang-fei1，2，DING Yong-sheng2，WANG Yun-sheng3*
（1Information Center ofshanghai Agricultural Committee，Shanghai 200335，China；2Donghua University，Shanghai 200051，China；3Agricultural Information Institute ofscience and Technology，Shanghai Academy of Agriculturalsciences，Shanghai Engineering Research Center fordigital Agriculture，Shanghai 201403，China）

This paper introduces thedesignscheme of the controller and the node of the agricultural internet of things based on power line carrier technology.In this paper，the microcontroller and PLCC are used todesign the controller and the node，and the performance and characteristics of the controller arediscussed.Power line carrier communication measurement and controlsystem，as long as the centralized controller and the node connected to thesame power line，they can communicate through a custom communication protocol.Centralized controller main function：responsible for communication with the host computer，through the touch LCDscreen to view the node to collect and upload the information，send the control information to the node.Node functions：acquisition and transmission of agriculturalsoil and environmental information；receiving the control information，control ofgreenhouse，integrated management of water and fertilizer etc.The application of thesystem will reduce the cost of agriculture and control agricultural non-pointsource pollution.

Power line carrier communication；Agricultural internet of things；Centralized controller；Node

S126

A

1000-3924（2016）04-132-08

2016-06-12

上海市科技興農重點攻關項目［滬農科攻字（2015）第6-4-1號］

張向飛（1975—），男，在讀博士，高級工程師，主要從事農業信息化研究。Tel：021-52161307

王運圣（1971—），男，博士，副研究員，研究方向：農業信息化。E-mail：wangyunsheng@saas.sh.cn