基于電力線載波技術的智能傳感網絡系統設計

摘 要： 基于電力線載波原理，結合電子表單和多余度技術的優點，提出一種基于電力線載波技術的智能傳感網絡系統設計方案；闡述了整套系統的總體設計方案及工作原理，并分別細述了系統主要模塊的硬件設計、網絡終端軟件及上位機軟件設計。整套系統能夠兼容多種不同類型的傳感器，同時還具有易擴展、可靠性高、便于維護等優點，可廣泛應用于油田鉆井通信、工業測試臺架等領域。

關鍵詞： 電力線載波； 傳感器網絡； 傳感器電子數據表； 總體設計

中圖分類號： TN926?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0168?03

Abstract： A new design scheme of the intelligent sensor network system based on power line carrier technology is presented in this paper， which could take advantages of the electronic form and redundancy technologies. The overall design scheme and working principle of the system， as well as main module’s hardware design， network terminal’s software design and host computer’s software design of the system are elaborated. This proposed system can be compatible with a variety of different types of sensors， applied to many areas， such as oilfield drilling communication， industrial test bed， etc.， and has the merits of high scalability， maintainability and reliability.

Keywords： power line carrier； sensor network； transducer electronic data sheet； overall design

0 引 言

傳感器網絡被廣泛應用于軍事、國土安全、環境監測、社區安防、工業生產等領域[1]。傳感器網絡可理解為由一組傳感器以自組織方式構成的有線或無線網絡，其作用是感知、采集和處理所覆蓋區域的感知對象的各種信息[2]。從定義可以看出，傳感方式有無線和有線兩種方式。目前傳感網絡結構多種多樣，其內部結構、通信方式以及接口協議也各不相同[3]。無線傳感網絡在城市傳感系統、森林安全監測、煤礦安全監測、農業等諸多領域都有廣泛的應用[4?6]。對于無線信號無法覆蓋或阻隔過于嚴重的環境中，只能采用有線傳感網絡進行組網。但在工業中，傳感網絡節點較多，用有線方式組網布線相當復雜，不利于之后的檢修及維護。電力線載波技術是指利用電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術[7]，通俗的講就是用兩根線來完成供電和數據的傳輸這兩項功能。電力線載波通信在智能樓宇、智能電網、電能自動抄表技術、油田鉆井通信等領域有著較明顯的優勢[8?9]。本文將電力線載波通信技術應用于傳感器網絡的設計中，開發了一套可用于強電磁干擾環境下的傳感網絡系統，整套系統具有擴展性強、可靠性好、便于維護等諸多優點。

1 系統方案與工作原理

系統整體方案見圖1。整個網絡由上層網絡管理計算機、網絡控制器、供電與傳輸數據網絡和傳感器網絡終端組成。整個系統是由上層網絡管理計算機完成控制，依靠以太網實現與網絡控制器的通信，然后通過數據與供電傳輸網絡，再與可擴展的多個傳感器網絡終端節點完成通信。上位機軟件接入以太網后，可實現對整套傳感網絡系統各個節點的遠程測控。系統中，供電與數據傳輸網絡就是指供電和信息傳輸共用一對傳輸電纜。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器網絡終端設計

傳感器網絡終端模塊主要是以嵌入式處理器為核心，局部總線上分布有可實現網絡通信的以太網接口，并設計了包含傳感器電子數據表的FLASH存儲，這種設計可用于連接多個可重構配置模塊的SPI接口。以太網接口的功能是完成傳感器網絡終端與供電/數據傳輸網絡之間的通信。

FLASH的功能是完成電子表單中信息的存儲及可重構邏輯數據流和信息的配置。圖2為智能傳感模塊結構圖，主要由電力線耦合模塊、載波終端模塊以及其他外圍模塊構成。

智能傳感模塊所用的核心處理器是STM32F103ZET6，外圍電路主要是對提供時鐘的晶振電路、對芯片供電的電源保護電路、處理器復位電路、人工控制的按鍵電路及SPI通信的電路進行了設計。實現傳感器網絡終端模塊中數據的采集、數據的處理、電子表單信息的存儲及網絡通信等功能。

供電與數據傳輸網絡接口模塊的設計是基于電力線載波模塊LX200V20，要實現電力線載波技術就應該搭建信號指示電路、電力線載波輸入/輸出電路以及以太網接口電路。

2.2 傳感網絡控制器模塊設計

網絡控制器的作用是管理和控制整個網絡中所有傳感器網絡終端模塊，并可以把供電/傳輸網絡中傳輸的有效數據解調出來。該電路的設計和供電與數據傳輸網絡接口模塊的硬件電路設計相似，主要功能是完成電力線上數據的傳輸及與上層應用程序的數據交換。因此，網絡控制器的作用是通過接收上位機發出的指令控制整個傳感網絡中所有傳感器網絡終端節點。網絡控制器模塊的設計框圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括傳感器網絡終端軟件設計和上位機軟件設計。工作原理如下：

（1） 每個傳感器網絡終端節點需要根據電子表單的信息建立對應網絡的通信地址，完成傳感器網絡終端與模塊客戶端的建立。

（2） 掃描智能傳感模塊各通道并獲取傳感器配置信息，等待網絡控制器的控制命令，準備采集傳感器的數據或控制執行器。當網絡控制器向傳感網絡終端發送查詢命令，客戶端與上位機通信連接，讀取智能傳感模塊的初始配置信息。

（3） 網絡控制器周期地發送數據采集或執行器控制命令，傳感器網絡終端將相應通道采集的數據及執行結果打包發送到網絡控制器的緩沖區內。網絡控制器從緩沖區向對應傳感器網絡終端節點發送命令，經過電子表單解碼后由智能傳感模塊對相應執行器進行控制。

（4） 上位機通過讀取網絡控制器緩沖器中的數據，解析各個智能傳感模塊節點，由此完成構建整個傳感網絡并更新采集的數據。

同樣，通過上位機軟件的操作，可以向任意的智能傳感模塊的執行器發送控制命令。傳感器網絡終端軟件設計程序流程圖如圖4所示。傳感器網絡上位機軟件界面如圖5所示。

4 結 語

本文通過電力線載波技術，實現了數據信號與電能同線傳輸功能；采用可重構技術，傳感器網絡終端模塊根據不同的測試要求可快速地重新配置；在傳感網絡中，預留了以太網接口，可以將測試數據及控制命令傳到上位機中，完成遠程監控和遠程控制的功能；上位機的軟件能夠完成顯示數據、繪制曲線、保存數據及繪制傳感網絡的拓撲結構圖的功能。傳感網絡系統能夠維護和管理整個傳感網絡，客觀的保證了傳感器網絡的可靠性，整套系統便于維護，擴展性強。

參考文獻

[1] 裴慶祺，沈玉龍，馬建峰.無線傳感器網絡安全技術綜述[J].通信學報，2007，28（8）：113?122.

[2] 孫國棟，許斌.以人為中心的感知[J].小型微型計算機系統，2012，33（7）：1393?1403.

[3] JEONG D K， JUNG H L. Sensor?ball system based on IEEE 1451 for monitoring the condition of power transmission lines [J]. Sensors and actuators， 2009， 154（1）： 157?168.

[4] 洪鋒，褚紅偉，金宗科，等.無線傳感器網絡應用系統最新進展綜述[J].計算機研究與發展，2010，47（z2）：81?87.

[5] 喬鋼柱.基于無線傳感器網絡的煤礦安全綜合監控系統設計與關鍵技術研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[6] 李婧.ZigBee無線傳感器網絡在田間數據采集中的應用研究[D].保定：河北農業大學，2011.

[7] 戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術研究進展[J].電網技術，2010（5）：161?172.

[8] 呂英杰，鄒和平，趙兵.國內低壓電力線載波通信應用現狀分析[J].電網與清潔能源，2010，26（4）：33?36.

[9] 張曉東.低壓電力線載波抄表系統設計[D].濟南：山東大學，2012.

[10] 于浩洋，邵國平，秦杰.基于ENC28J60以太網控制器的SPI接口設計[J].黑龍江工程學院學報（自然科學版），2009，23（2）：63?65.