摘  要： 設(shè)計以單片機為核心的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與電器控制裝置，運用現(xiàn)有單相電力線載波調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)PC機與該裝置之間的數(shù)據(jù)通信，構(gòu)成基于電力線載波通信的計算機環(huán)境監(jiān)測與電器控制網(wǎng)絡(luò)，用戶可實時監(jiān)測溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，以PC機遠程控制電器的運行，管理車間、倉庫的照明、設(shè)備、空調(diào)等，在有效控制室內(nèi)溫濕度等的同時節(jié)能降耗，可廣泛應(yīng)用于智能車間、智能倉庫等領(lǐng)域。

　　關(guān)鍵詞： 電力線載波；環(huán)境監(jiān)測；電器控制；智能車間

0 引言

　　隨著計算機的日益普及，在室內(nèi)以單片機為核心構(gòu)成室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、家電與照明裝置控制系統(tǒng)[1-3]，是加強用電管理、節(jié)能降耗和實現(xiàn)家居的有效手段，已日益得到重視。而在現(xiàn)代倉儲中，倉庫內(nèi)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(jiān)測與遠程管理，以保障貨物不變質(zhì)，同時車間的照明、設(shè)備集中遠程監(jiān)控也是加強管理、節(jié)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(gòu)成電器本地開關(guān)控制和環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置，采用電力載波通信技術(shù)，構(gòu)建以PC機為集中控制器的電器控制與室內(nèi)溫濕度等環(huán)境參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)倉庫、車間電器集中控制與管理，優(yōu)化倉庫的倉儲條件。在數(shù)據(jù)的傳輸中選擇電力線作為傳輸媒介具有以下優(yōu)點：（1）利用現(xiàn)有低壓電力線作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，無需重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，維護量小，成本低；（2）由于數(shù)據(jù)傳輸在有限空間范圍內(nèi)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　網(wǎng)絡(luò)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(guān)控制與環(huán)境參數(shù)采集模塊（圖中稱為控制模塊）、環(huán)境參數(shù)檢測傳感器、受控電器等構(gòu)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(gòu)成一小型智能電器網(wǎng)絡(luò)，不僅可以使用傳統(tǒng)的開關(guān)手動直接控制電器的啟停，也可通過PC機對電器實現(xiàn)遠程集中自動控制，并可實時監(jiān)測環(huán)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(wěn)定，體積小巧，集成度高，使用方便，在無需重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2 環(huán)境監(jiān)測與電器控制

　　網(wǎng)絡(luò)中的控制模塊硬件結(jié)構(gòu)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(guān)控制電器的啟停；二是可通過BWP10A電力載波調(diào)制解調(diào)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(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)到主控制器上。本地開關(guān)的數(shù)量和傳感器的類型可根據(jù)實際需要進行配置，靈活可靠。

　　2.1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

　　實驗中采用溫度傳感器DS18B20監(jiān)測室內(nèi)溫度。溫度傳感器DS18B20是一個數(shù)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(qū)動程序的編寫相對簡單，可用現(xiàn)成的驅(qū)動模塊，加快了系統(tǒng)的開發(fā)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(nèi)測溫需求。

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

　　根據(jù)倉庫、車間環(huán)境控制的實際需求還可增加濕度、氧氣含量等傳感器，監(jiān)測倉庫、車間環(huán)境參數(shù)，據(jù)此可通過遠程控制裝置控制相應(yīng)的空調(diào)等電器裝置的運行狀況，優(yōu)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(guān)和8個輸出控制繼電器，手動控制開關(guān)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(guān)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(tài)，PC機操作與顯示界面如圖4所示。

3 基于電力線載波的數(shù)據(jù)通信

　　本系統(tǒng)以BWP10A嵌入式電力線調(diào)制解調(diào)器[4]實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)PC機和單片機之間的數(shù)據(jù)交換，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括控制指令、電器狀態(tài)、溫度等環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)采用主從工作方式，PC機為主控設(shè)備，電器開關(guān)控制與溫度數(shù)據(jù)采集模塊為從機設(shè)備，各從機設(shè)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(diào)制解調(diào)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(zhuǎn)換，在此選擇MAX232作為電平轉(zhuǎn)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(xiàn)局域通信。

　　3.2 基于電力線載波的數(shù)據(jù)通信

　　3.2.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

　　BWP10A電力載波模塊可以自由配置電力線上數(shù)據(jù)通信模式，目前有兩種通信模式可供用戶選擇：固定字節(jié)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(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)傳輸與用戶協(xié)議無關(guān)，模塊采用擴頻編碼方式，抗干擾能力強，傳輸距離遠，數(shù)據(jù)傳輸可靠。通信過程中，由用戶通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

　　本系統(tǒng)使用固定字節(jié)長度傳輸方式，數(shù)據(jù)幀的總長度為10 B，數(shù)據(jù)域為1 B。幀格式的詳細說明見表1。

　　3.2.2 數(shù)據(jù)校驗

　　為保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用CRC（循環(huán)冗余碼）進行數(shù)據(jù)校驗，其基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進制碼序列，根據(jù)生成多項式G（X）產(chǎn)生一r位校驗碼（即CRC碼），構(gòu)成一個新的（k+r）位二進制碼后進行發(fā)送，接收端接收數(shù)據(jù)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(shù)為0，則說明數(shù)據(jù)傳輸正確，否則說明傳輸有誤，可申請重新發(fā)送。CRC校驗法出錯的概率幾乎為零，是數(shù)據(jù)通信中普遍采用的通信規(guī)約之一。實驗中16位CRC碼計算公式為：

　　其中B（X）表示要發(fā)送的二進制序列數(shù)（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(jié)果中的R（X）即為CRC碼，實際編程時采用按半字節(jié)求CRC的算法。

4 PC機集中控制與環(huán)境監(jiān)測

　　PC機電器遠程控制與環(huán)境監(jiān)測軟件以VB為開發(fā)工具，設(shè)計了基于電力載波的數(shù)據(jù)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(shè)計了電器狀態(tài)顯示圖標，可實時顯示電器的運行狀態(tài)，使用操作按鈕可控制對應(yīng)電器的運行，在數(shù)據(jù)窗口中可實時顯示控制模塊采集到的環(huán)境參數(shù)，軟件具備對各電器的分類查詢功能，可及時了解網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有電器的狀態(tài)。

　　實際測試使用本地開關(guān)和控制用計算機分別控制白熾燈的狀態(tài)，設(shè)置了多種組態(tài)，測試結(jié)果表明手動開關(guān)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(guān)，且溫度檢測準確，數(shù)據(jù)傳輸可靠，電器狀態(tài)與溫度參數(shù)顯示正常，界面友好，操作方便。

5 結(jié)束語

　　基于電力載波通信的計算機電器控制網(wǎng)絡(luò)運用計算機技術(shù)、低壓電力線載波通信技術(shù)、自動檢測技術(shù)實現(xiàn)了電器的集中控制和環(huán)境參數(shù)的采集與實時顯示，通過一臺計算機即可有效監(jiān)測車間、倉庫的環(huán)境，優(yōu)化對車間、倉庫等的電器、設(shè)備管理，節(jié)能降耗。整個裝置操作方便，控制快捷。

　　參考文獻

　　[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(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)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(tǒng)[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(xiàn)代電子技術(shù)，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(diào)制解調(diào)器BWP10A產(chǎn)品說明書[Z].2013.