摘  要： 設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與電器控制裝置，運(yùn)用現(xiàn)有單相電力線載波調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)PC機(jī)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(jì)算機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)與電器控制網(wǎng)絡(luò)，用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，以PC機(jī)遠(yuǎn)程控制電器的運(yùn)行，管理車間、倉(cāng)庫(kù)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(shí)節(jié)能降耗，可廣泛應(yīng)用于智能車間、智能倉(cāng)庫(kù)等領(lǐng)域。

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

0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，在室內(nèi)以單片機(jī)為核心構(gòu)成室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、家電與照明裝置控制系統(tǒng)[1-3]，是加強(qiáng)用電管理、節(jié)能降耗和實(shí)現(xiàn)家居的有效手段，已日益得到重視。而在現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)中，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫濕度、氮氧含量等在貨物的存儲(chǔ)中起相當(dāng)重要的作用，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程管理，以保障貨物不變質(zhì)，同時(shí)車間的照明、設(shè)備集中遠(yuǎn)程監(jiān)控也是加強(qiáng)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(jī)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(jī)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(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)、車間電器集中控制與管理，優(yōu)化倉(cāng)庫(kù)的倉(cāng)儲(chǔ)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(diǎn)：（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(hù)量小，成本低；（2）由于數(shù)據(jù)傳輸在有限空間范圍內(nèi)進(jìn)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(jī)、電力線載波通信模塊、若干個(gè)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(cè)傳感器、受控電器等構(gòu)成。在同一臺(tái)變壓器下，多個(gè)控制模塊可并接在同一電力線上，以PC機(jī)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(dòng)直接控制電器的啟停，也可通過PC機(jī)對(duì)電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中自動(dòng)控制，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境，操作簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jī)為控制核心，其主要功能：一是可通過手動(dòng)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(jī)的操作命令自動(dòng)遠(yuǎn)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(shí)際需要進(jìn)行配置，靈活可靠。

　　2.1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)

　　實(shí)驗(yàn)中采用溫度傳感器DS18B20監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度。溫度傳感器DS18B20是一個(gè)數(shù)字量輸出的溫度傳感器，具有獨(dú)特的一線接口，且該傳感器的驅(qū)動(dòng)程序的編寫相對(duì)簡(jiǎn)單，可用現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)模塊，加快了系統(tǒng)的開發(fā)速度。DS18B20的測(cè)量溫度范圍為-55 ℃~+125 ℃，測(cè)溫精度為±0.5 ℃，完全可以滿足一般的室內(nèi)測(cè)溫需求。

　　DS18B20接單片機(jī)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(jī)上實(shí)時(shí)顯示。

　　根據(jù)倉(cāng)庫(kù)、車間環(huán)境控制的實(shí)際需求還可增加濕度、氧氣含量等傳感器，監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)、車間環(huán)境參數(shù)，據(jù)此可通過遠(yuǎn)程控制裝置控制相應(yīng)的空調(diào)等電器裝置的運(yùn)行狀況，優(yōu)化倉(cāng)庫(kù)的倉(cāng)儲(chǔ)條件。

　　2.2 電器控制

　　如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中一個(gè)控制模塊接8個(gè)手動(dòng)開關(guān)和8個(gè)輸出控制繼電器，手動(dòng)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(dòng)開關(guān)控制與基于電力載波通信的PC機(jī)遠(yuǎn)程控制兩種方式。PC機(jī)上會(huì)實(shí)時(shí)顯示電器的運(yùn)行狀態(tài)，PC機(jī)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)PC機(jī)和單片機(jī)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(jī)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(jī)設(shè)備，各從機(jī)設(shè)備獨(dú)立編址，互不干擾。

　　3.1電力載波模塊與PC機(jī)和單片機(jī)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(jī)的串口P3.0、P3.1連接，與PC機(jī)的RS232串口連接時(shí)需進(jìn)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(shí)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(zhǎng)度傳輸和固定幀長(zhǎng)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(kuò)頻編碼方式，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，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(zhǎng)度傳輸方式，數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度為10 B，數(shù)據(jù)域?yàn)? B。幀格式的詳細(xì)說明見表1。

　　3.2.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

　　為保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用CRC（循環(huán)冗余碼）進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，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(jìn)制碼序列，根據(jù)生成多項(xiàng)式G（X）產(chǎn)生一r位校驗(yàn)碼（即CRC碼），構(gòu)成一個(gè)新的（k+r）位二進(jìn)制碼后進(jìn)行發(fā)送，接收端接收數(shù)據(jù)后，將接收到的二進(jìn)制序列碼（包括信息碼和CRC碼）除以相同的生成多項(xiàng)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(qǐng)重新發(fā)送。CRC校驗(yàn)法出錯(cuò)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(shí)驗(yàn)中16位CRC碼計(jì)算公式為：

　　其中B（X）表示要發(fā)送的二進(jìn)制序列數(shù)（從幀頭到校驗(yàn)和，共8 B），G（X）為生成多項(xiàng)式，按CRC-CCITT取G（X）=X16+X12+X5+1，運(yùn)算結(jié)果中的R（X）即為CRC碼，實(shí)際編程時(shí)采用按半字節(jié)求CRC的算法。

4 PC機(jī)集中控制與環(huán)境監(jiān)測(cè)

　　PC機(jī)電器遠(yuǎn)程控制與環(huán)境監(jiān)測(cè)軟件以VB為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)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(jī)界面。在操作界面中，如圖4所示，設(shè)計(jì)了電器狀態(tài)顯示圖標(biāo)，可實(shí)時(shí)顯示電器的運(yùn)行狀態(tài)，使用操作按鈕可控制對(duì)應(yīng)電器的運(yùn)行，在數(shù)據(jù)窗口中可實(shí)時(shí)顯示控制模塊采集到的環(huán)境參數(shù)，軟件具備對(duì)各電器的分類查詢功能，可及時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有電器的狀態(tài)。

　　實(shí)際測(cè)試使用本地開關(guān)和控制用計(jì)算機(jī)分別控制白熾燈的狀態(tài)，設(shè)置了多種組態(tài)，測(cè)試結(jié)果表明手動(dòng)開關(guān)與PC機(jī)指令能按照控制要求獨(dú)立且一致地控制白熾燈的開關(guān)，且溫度檢測(cè)準(zhǔn)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(yǔ)

　　基于電力載波通信的計(jì)算機(jī)電器控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、低壓電力線載波通信技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電器的集中控制和環(huán)境參數(shù)的采集與實(shí)時(shí)顯示，通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)即可有效監(jiān)測(cè)車間、倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境，優(yōu)化對(duì)車間、倉(cāng)庫(kù)等的電器、設(shè)備管理，節(jié)能降耗。整個(gè)裝置操作方便，控制快捷。

　　參考文獻(xiàn)

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