基于電力線載波通信的多點溫度采集系統(tǒng)

引言

近年來隨著電力載波通信技術(shù)（Power Line Carrier，PLC）的發(fā)展，電力載波通信已大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及日常生活，如基于電力載波的遠程抄表系統(tǒng)、電源監(jiān)控系統(tǒng)、路燈控制系統(tǒng)、家居網(wǎng)絡(luò)、病人體溫測量系統(tǒng)等。

電力載波通信是利用高壓電力線、中壓電力線或低壓配電線作為信息傳輸媒介進行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)囊环N通信方式。它通過已經(jīng)存在的供電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同的信息傳輸需求。由于供電網(wǎng)絡(luò)本身是一種方便、低成本、高可靠性的通信媒介，使得電力載波通信變得方便、低成本、易實現(xiàn)。本文主要介紹一種將低壓電力載波技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用低壓供電線路，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點所采集到的室內(nèi)溫度通過轉(zhuǎn)換器傳輸給上位機，從而完成對室內(nèi)溫度遠程監(jiān)測的功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

多點溫度采集系統(tǒng)主要由主機控制系統(tǒng)和分別設(shè)置在室內(nèi)的節(jié)點測溫裝置組成。主機系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)換器（實現(xiàn)電力載波數(shù)據(jù)與485數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能）與上位機控制軟件。通過主機控制系統(tǒng)發(fā)送與接收命令，電力線傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點測溫裝置執(zhí)行命令，以此組成整個信息交互網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電力載波通訊即PLC，是英文Power Line Communication的簡稱。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。電力線載波通信的工作原理就是把自動化設(shè)施中的有效數(shù)據(jù)通過調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后耦合到電力線上，然后經(jīng)過電力線傳輸?shù)綄Χ说臄?shù)據(jù)解調(diào)器上，再由對端數(shù)據(jù)解調(diào)器把信號解調(diào)出來傳輸給對端自動化設(shè)備。因此電力線不僅具有供電的功能還提供了一種信息通信的手段。

在傳統(tǒng)有線傳輸技術(shù)中，每當(dāng)需要新的通訊對象時，都要鋪設(shè)新的通訊線路，而且鋪設(shè)新的線路會牽扯到很多方方面面的內(nèi)容，比如與原有線路是否有沖突，材料的選擇等，且由于鋪設(shè)所帶來的成本更是一筆不菲的支出，當(dāng)以后需要修改線路的時候，又帶來大量的成本和時間的浪費。在本系統(tǒng)中，只要有電力線就能實現(xiàn)信號傳輸，當(dāng)需要使用的時候，就把載波模塊安裝在需測溫的室內(nèi)即可，當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要更換測量不同房間溫度的時候，只要改變載波模塊的安裝位置即可，十分的方便快捷。本系統(tǒng)不僅抗干擾性強，傳輸距離遠（有效傳輸距離一千米），而且在成本上也遠遠小于無線傳輸技術(shù)。

該硬件主要利用高性能SENS-01電力載波通信模塊（PowerlineTransceiver）來進行信息間傳輸，SENS-01嵌入式電力線載波模塊提供半雙工通信功能，可以在220V/110V、50/60Hz電力線上實現(xiàn)局域通信。該款產(chǎn)品具有通信速率高，通訊可靠，抗雜波干擾能力強，通訊距離遠等特點，是專門為適應(yīng)中國國內(nèi)電力線應(yīng)用環(huán)境而研發(fā)的高性能電力線載波通訊產(chǎn)品。本電力線通信模塊內(nèi)含各個外圍復(fù)雜電路（如圖2所示），只需連接電力線即可。

過零檢測電路

在此模塊中，主要是采用三極管驅(qū)動發(fā)光二極管，同時在接收端加上拉電阻進行過零檢測，來判斷信號相位，與檢波電路一起實現(xiàn)過零信號接收功能。該電路采用了光耦過零檢測電路（如圖3所示），使后面電路不直接接觸220V電，最大程度保證后面電路與用戶的安全性。

調(diào)制輸出電路

當(dāng)數(shù)據(jù)需要通過電力線傳輸出去時，通過調(diào)制輸出電路（如圖4所示），將信號耦合到電力線上。在本模塊中，采用互補推挽放大器來增強驅(qū)動能力，提供大電流。Q3管接入Q2管和Q4管的基極，以此作為推動信號，由于兩只三極管的極性不同，基極上的輸入信號電壓對兩管而言一個是正向偏置，一個是反向偏置。當(dāng)輸入信號為正半周時，兩管基極同時電壓升高，此時輸入信號電壓給Q4管加上正向偏置電壓，所以該管進入導(dǎo)通和放大狀態(tài)。由于基極電壓升高，對Q2管來講加上反向偏置電壓，所以該管處于截止狀態(tài)。輸入信號變化到負半周后，剛好處于相反狀態(tài)。兩只三極管輸出的半周信號在放大器負載上合并后得到一個完整周期的輸出信號。再經(jīng)過一個電容濾掉直流成分和限幅穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓，即可通過變壓器接入電力線上。

檢波輸入電路

在本模塊中，主要采取290k檢波電路（如圖5所示），來實現(xiàn)從電力線中不失真地檢出調(diào)制信號（如圖6所示）。當(dāng)信號經(jīng)過變壓器降壓后，接入檢波電路，實現(xiàn)信號解調(diào)的作用，再經(jīng)過兩個穩(wěn)壓二極管，實現(xiàn)限幅的作用，防止過電壓通入載波模塊的I/O口。在圖6中可看到當(dāng)接入信號源后，在輸出端口，獲得了290kHz的檢波頻率。

系統(tǒng)軟件框架

軟件系統(tǒng)框架設(shè)計

本系統(tǒng)由上位機軟件系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)與節(jié)點控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中以上位機軟件系統(tǒng)為核心。多個節(jié)點控制器通過電力線與上位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)間交互傳輸。其中轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)與上位機的數(shù)據(jù)交互通過串口采用Modbus協(xié)議進行安全性傳輸，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時方便用戶根據(jù)自己的需求自行定制上位機軟件。各個分機根據(jù)自己的站號來回應(yīng)主機的查詢信息。上位機主要工作是對各個分機控制器的狀態(tài)信息進行綜合分析，處理和顯示等工作。工作原理如圖7所示。

上位機軟件系統(tǒng)

此系統(tǒng)主要采用VB編寫上位機軟件，內(nèi)嵌Modbus傳輸協(xié)議，自行編寫入機交互軟件，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，精簡代碼，設(shè)定算法，防止數(shù)據(jù)的丟失與處理，提高了系統(tǒng)的安全性。

在本系統(tǒng)中，主要使用了01（讀線圈），03（讀保持寄存器），05（寫單個線圈）功能碼，其中域名指的就是每一臺機號，每一次數(shù)據(jù)包將以20個字節(jié)發(fā)送，數(shù)據(jù)不足20，系統(tǒng)自動補0。

例如：（1）讀取分機05的繼電器01狀態(tài)（1=ON，0=OFF），假設(shè)為OFF即為關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)需要讀取分機上多個繼電器狀態(tài)時，只需修改輸出數(shù)量的大小即可。當(dāng)分機收到數(shù)據(jù)后，查詢本機的繼電器狀態(tài)，再將信息發(fā)還給主機，完成這次主機的請求命令。其示例功能碼如表1所示。

（2）讀取分機05的寄存器01-02（即測量溫度和濕度），假設(shè)分別為28.5°，50.7H.分機控制器會將測得溫度的整數(shù)部分放在寄存器高位：將其小數(shù)部分放在寄存器低位。對濕度也是同樣的操作，在整個系統(tǒng)中溫度的單位是攝氏度，濕度的單位是相對濕度。當(dāng)主機接收到數(shù)據(jù)后，即對其進行反操作，即能獲得測量值。其示例功能碼如表2所示。

（3）命令分機05打開繼電器01（以十六進制FF00代表ON，十六進制0000代表OFF）。分機相應(yīng)命令的域名應(yīng)為當(dāng)前分機的分機號，使該數(shù)據(jù)只能被轉(zhuǎn)換機接收。其示例功能碼如表3所示。

上位機軟件內(nèi)包含信號的發(fā)送和信號的接收處理。其功能主要是兩路單獨的電力載波查詢，以及一路定時自動查詢節(jié)點的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送一次命令，在200ms內(nèi)沒有收到回復(fù)命令，則軟件將自動重新再發(fā)送一次命令，如果還是沒有回復(fù)，則在用戶界面上提示該與節(jié)點通信出現(xiàn)故障。當(dāng)通信正常，主機可采集節(jié)點上所測得的溫濕度，并在上位機界面上顯示。

用戶界面如圖8所示。

轉(zhuǎn)換器和節(jié)點控制器軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)換器的功能主要包括實現(xiàn)與上位機485通信，將上位機的查詢信息耦合到電力線上，同時也將接收來自電力線上的數(shù)據(jù)，采用Modbus協(xié)議的形式通過485傳輸?shù)缴衔粰C上進行數(shù)據(jù)的綜合處理。

節(jié)點控制器的功能為輔助測溫裝置檢測室內(nèi)溫度，并響應(yīng)主機的查詢控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的命令操作。

本軟件設(shè)計采用的是一呼一答的通訊形式，即每個節(jié)點皆有屬于自己的機號，每次主機同時呼叫所有電力線上的節(jié)點控制器，但只有符合呼叫機號的分機才會響應(yīng)該次呼叫。轉(zhuǎn)換器和節(jié)點間通過電力線進行數(shù)據(jù)的交互。其轉(zhuǎn)換器的軟件流程圖如圖9所不。

結(jié)束語

在系統(tǒng)設(shè)計中，考慮了現(xiàn)場遇到的各種實際情況，并且對系統(tǒng)進行相應(yīng)的設(shè)計和完善，系統(tǒng)完成了溫度數(shù)據(jù)采集的基本功能。同時，利用電力線信號傳輸載體，不必對現(xiàn)場重新布線和規(guī)劃，同時也克服了無線傳輸信號不穩(wěn)定的弊端，系統(tǒng)安裝簡單方便，易于大范圍推廣。同時，該系統(tǒng)迎合了關(guān)于節(jié)能減排的政策要求，具有良好的市場前景和使用價值?？朔鹘y(tǒng)低壓電力線通信方式的缺點，根據(jù)測試結(jié)果，現(xiàn)場應(yīng)用效果基本達到通信要求。同時現(xiàn)有系統(tǒng)上有較多的模塊集成，可充分利用現(xiàn)有的技術(shù)和資源，增加新功能。本系統(tǒng)對于在低壓電力線上進行數(shù)據(jù)通信是一種有益的探索和有較好效果的新技術(shù)應(yīng)用。對于今后基于系統(tǒng)基本通信功能上的其他更多功能的擴展設(shè)計應(yīng)用，有一定的參考價值。

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