基于WSN和PLCC的智能大廈照明集控系統的設計

葉 崧

(金陵科技學院信息技術學院，江蘇南京 211169)

1 引言

照明集控系統是伴隨著計算機和通信網絡的迅速發展而興起的自動化應用系統。它主要由監控中心 (主站)、數據通信、RTU(子站或節點)三大部分組成。監控中心是系統的核心，負責控制管理整個系統的運行。RTU是智能測控模塊，完成各種遠端現場數據的采集與處理、現場執行機構的控制，并將采集的數據上傳到主站，接受主站的指令對遠端現場遙控;數據通信則根據應用對象的不同有多種不同的通信規約。［1］

數據傳輸方式按數據傳輸介質不同分為有線和無線兩類。有線傳輸方式如:電力線載波、RS-485或CAN現場總線等。電力線載波利用現有的供電線路不需要另外鋪設專用通信線路，但載波信號只能在一個配電變壓器區域內傳送;RS-485或CAN總線具有通信效率高、可靠性好等優點，但是鋪設專用的線路工程造價較高，布線不便。無線傳輸方式如:VHF/UHF無線數傳電臺、ISM擴頻電臺、GPRS/3G等。無線通信方式能適應地理環境復雜、布線不方便的要求，同時在需要擴建子站時十分方便。

2 系統的總體結構

本系統采用基于電力線載波通信與遠程無線組網相結合的系統架構，本系統的模型如圖1所示。

通過系統結構示意圖可知，集中器作為系統主站，負責管理系統中的所有通信，并對收集到的各個現場采集終端的數據進行處理。從控節點使用無線通信與各個傳感器節點連接，并將采集到的數據通過載波通信主動上報給集中器。傳感器節點采用多點布置的方式，主要負責將其監測區域內的環境參數經由無線的方式傳遞到從控節點。系統也可采用定時查詢方式，由集中器發送命令查詢請求，由從控節點將各個傳感器節點的數據收集并返回。用戶可以通過任意一臺連入 Internet的終端訪問集中器。

本系統主要是由四大模塊組成，第一是電力載波模塊，主要是完成主機設備到從機設備的載波通信，實現數據的正常發送以及遠程數據的反饋;第二是Zigbee無線模塊，主要是完成實現傳感器節點數據通信;第三是集中器模塊，選擇ARM+Linux系統作為主控平臺，內嵌數據庫與Web服務器，來實現遠程控制命令的發送以及節點狀態顯示;第四是控制模塊，采用EasyArm615用于搭建一個從控節點，與一個Zigbee協調器節點相結合，形成一個星狀網絡拓撲結構，完成的無線組網，同時與照明配電箱一起完成照明控制。

3 硬件設計

傳感器節點主要是將捕捉的現場信號經轉換器ADC采樣、量化、編碼后，變成數字信號傳給微處理器，從控節點使用無線通信與各個傳感器節點連接，并將采集到的數據通過載波通信主動上報給集中器。集中器主要工作是接收數據信息、進行節點管理、數據處理和數據管理。

3.1 載波通信模塊

由于從控節點的控制及狀態變化頻率并不是很高，并且采集的傳感器數據量也不大，因此窄帶電力線載波通信就能滿足本系統的需求。PL3106是專為自動抄表、物聯網以及遠程監控系統而開發設計的單芯片片上系統。采用增強型8051兼容微處理器，其內嵌了載波擴頻通信調制解調電路，外圍電路連接設計如圖2所示。［2］

電力線載波通信模塊的功能是實現各個節點間的通信，除了載波芯片外，還要包括發送電路和接收電路。PL3106芯片是基于PSK調制方式、采用直序擴頻通訊，載波發射中心頻率 120K，帶寬15kHz。當發送數據的時候，載波信號由PL3106芯片的PSK_OUT引腳輸出，載波信號經過由 Q1、Q2、Q3和Q4組成的互補推挽功率放大電路后進行功率放大后，經過一個由電容電感構成的濾波器，過濾掉高次諧波后通過耦合線圈傳輸到電力線上。當接收數據時，電力線上被調制的信號經過一個由電容電感構成的并聯諧振回路，通過選頻處理后，再經過一個電容輸入到PL3106芯片的SIGIN引腳。［3］

3.2 CC2430無線通信模塊

CC2430芯片整合了ZigBee射頻前端、內存和8051微控制器。具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模數轉換器、一個 IEEE 802.15.4 MAC定時器、一個16位定時器 and 2個8位定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。因此CC2430芯片不僅作為無線通信模塊，也同時作為整個傳感器節點的CPU模塊。外圍電路連接設計如圖3所示。

光傳感器節點的結構由一個CC2430模塊和2節1.5V電池構成，各個光測量節點被初始化為無信標網絡中的終端設備。上電復位后，開始搜索指定信道上的PAN協調器，并發出連接請求，建立連接成功后，它將得到一個16位短地址，并在以后用這個短地址通信。［4］節點開啟睡眠定時器，每隔6分鐘醒來一次，利用光傳感器檢測環境亮度，并發送給主節點，然后立即再次進入睡眠狀態，最大程度地降低功耗，延長從節點電池使用時間。

3.3 集中器模塊

集中器模塊主要包括ARM主控板 (控制器、存儲器、LCD顯示、以太網、上下行串行通信接口)、GPRS通信模塊、電力載波通信模塊(PLCC)。硬件總體框圖如圖4所示。

ARM主控板硬件分為核心板、擴展底板和外接通信模塊3部分。核心板包括主控制器和存儲器;在擴展底板上擴展電源電路、調試接口、以太網通信接口、串口/485通信接口、人機接口等電路。外接通信模塊包括GPRS模塊和電力載波通信模塊，核心板和外接通信模塊插接在擴展底板上。

4 軟件設計

本系統中，各節點獨立完成相應的數據采集、傳輸、以及顯示等任務，數據通信時各節點與數據集中器是“主從式接入”，采用點對點方式或全局廣播方式通信。因此系統軟件設計主要包括3大部分:電力載波通訊模塊;zigbee無線網絡通信模塊;集中控制器控制模塊。

圖3 無線通信芯片及外圍電路

圖4 多功能網關硬件總體框圖

4.1 電力載波通信

電力載波模塊通信為總線方式通信，不同載波模塊分配不同地址，為了防止多個模塊在電力線上產生通信沖突，通常將載波模塊常態為接收模式，檢測載波線路的同步幀頭 (0x09、0xAF)，當檢測到同步幀頭后，按通訊規約接收數據，接收到正確數據，將數據通過串口上傳控制板。只有收到控制板指令后，才啟動載波發射態，將控制板下發數據發送到載波線路上，發射結束后自動轉入載波接收狀態。［5］整個接收和發送過程均通過中斷方式處理，如圖5所示。

圖5 載波中斷流程圖

4.2 Zigbee通信

WSN傳感器采集節點的主程序流程圖如圖6所示，從控節點的主程序流程圖如圖7所示。在主程序中主要是對CC2430運行環境進行設置、初始化變量等，用一個while無限循環來等待中斷的發生，實現整個系統的功能。

圖6 傳感器采集節點的主程序流程圖

4.3 集中器

集中器平臺選用基于ARM720T的ARM芯片SEP4020，該平臺已經裁剪并移植好Linux操作系統，便于在其基礎上完成各項相關應用程序的開發。

集中器監控軟件包括:數據采集、數據存儲、數據顯示 (測試用)和遠程數據傳輸。數據采集功能負責獲取從串口傳過來的數據。具體過程是主線程中初始化并打開串口，建立串口接收信號，在信號處理函數里面，處理接收到的數據。當接到數據包時產生信號，在信號處理函數里調用協議轉換程序按照載波協議的定義解析數據，解析出原始數據中的節點號、傳感器模擬量、開關量值等信息。利用多線程技術，將數據處理部分、數據存儲部分分別放在單獨的線程中處理，以提高程序的運行速度，通過在Linux上移植了嵌入式數據庫系統，可以有效的實現實時數據的管理。

圖7 從控節點的主程序流程圖

為了便于遠程管理，系統移植了嵌入式WEB服務器BOA，并實現HTML表單和服務器端程序的接口 (CGI)，用戶通過Web瀏覽器完成Web網頁中表單 (Form)數據的輸入，并提交給Web服務器，CGI程序根據用戶的選擇完成一般的處理、數據庫查詢，將響應結果再回送給Web服務器及Web瀏覽器［6］。

5 結語

為滿足現場環境復雜、采集點分散的數據采集需要，本系統將WSN、電力線載波有機地結合在一起，將信息匯集之后通過WEB達到遠程管理的目的。該設計適合于現實應用中的多種需求，可以根據具體應用進行快速的裁剪和配置，具有實際的應用價值。同時該系統成本低，易構建，具有很強的擴展性，在一個具體的環境下進行照明控制和光傳感器實時地采集，通過實際應用，證實該設計的合理性及通用性，達到設計的初衷。本系統稍加改裝，在采集終端增加其他傳感器，例如二氧化碳傳感器、溫濕度等可用于室內環境參數監測，滿足經濟實用的要求，具有良好的實用價值和應用前景。

［1］潘啟勇．城市路燈監控系統RTU的設計與實現［D］．蘇州大學，2007．

［2］PL3106系列芯片手冊．北京福星曉晨電子科技股份有限公司 ［EB/OL］．北京:2008

［3］高守瑋，王健，黃全振，朱曉錦．基于電力線載波通信的智能家居系統嵌入式網關設計 ［J］．電氣應用，2010，(15)．

［4］高守瑋，吳燦陽著．ZigBee技術實踐教程:基于CC2430/31的無線傳感器網絡解決方案 ［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2009．

［5］賀同見，華澤璽．基于低壓電力線載波通信的溫濕度監測系統 ［J］．儀表技術與傳感器，2010，(12)．

［6］王芳，王凱，王先超．基于ARM-Linux與DS18B20的溫度監測系統 ［J］．計算機工程與設計，2010，(12)．