1、基于电力载波通信的物联网环境感知模块与协调器的设计学士学位论文基于电力载波通信的物联网环境感知模块与协调器的设计摘要本文在大量设计实践基础上提出了一种基于电力载波技术的物联网环境感知与协调器的设计方案。该方案采用ARM、PIC系列单片机，分别设计了协调器、感知模块和执行模块。协调器可通过液晶显示屏上的控制按钮发送控制信息，执行模块和感知模块接收这些信息，实现对本地环境的监控以及对执行模块的控制。该系统采用先进的电力载波通讯技术，无需复杂繁琐的布线，只需将感知模块、执行模块、协调器接在同一电力线上，各模块就通过特定的通信协议进行互联、通信，轻松实现房间灯光、电动窗帘、电视系统、空调系统等系统集中
2、控制。并能够实时监测房间温度、湿度、光照等，对节约能源、降低费用、室内环境检测起到了积极的作用，是一种基于电力载波通信组成的网络控制系统。本文重点介绍了该系统的设计方案和电路硬件与软件的详细设计过程，并对该系统的性能与优点进行了充分讨论。关键词：电力载波；物联网；协调器；PIC单片机；ARM；AbstractIn this paper the design practice of based on it bring forward a carrier technology based on the power of networking environment that perception
3、and coordinator design scheme. The scheme adopts the ARM, the PIC microcontroller series, respectively, the coordinator, perception design module and execute module. Coordinator can through the LCD screen control button send control information, executive module and perception module to receive thes
4、e information, and to realize the local environment monitor and control for implementation of the module.The system adopts the advanced electric power carrier communication technology, need not complex tedious wiring, only will perceive module, executive module, coordinator taken up in the same fiel
5、d lines, each module is through the specific communication protocols of the Internet, communication, easily realize room light, electric curtains, TV system, air conditioning system centralized control system. And to real-time monitoring room temperature, humidity, light, etc, to save energy and red
6、uce cost, indoor environment detects the have a positive role, is a carrier communication based on electric power network composed of control system. This paper introduces the design scheme and circuit hardware and software design of the detailed process, and the system performance and the advantage
7、s of the full discussion.Key words: Power carrier; Content networking; Coordinator; PIC microcontroller; ARM； 1 引言1.1物联网的定义物联网(Internet of Things，IOT)概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，目前业界并没有明确统一的定义。中国通信标准化协会泛在网工作组定义的物联网是指通过部署具有一定感知、计算、执行和通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息，通过网络实现信息的传输、协同和处理，从而实现人与物、物与物之间信息交换的互联的网络。1.2我国物联网的技
8、术现状分析物联网的关键技术涉及面很广，感知/延伸层主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，核心技术包括传感技术、识别技术、信息处理技术、标识技术等。目前，网络层实现信息的高可靠性、安全性地传送，关键技术包括电信网增强技术、下一代移动通信网互联网技术等。应用层是通过各种应用平台实现海量信息处理和共享，关键技术包括SOA、云计算、软件、支撑平台、中间件等。我国统一的SOA标准体系还未形成，云计算技术也处于初期阶段，应用层软件、海量信息处理需要进一步技术攻关。传感技术处于起步阶段，识别技术相对较为成熟，开始步入发展期。我国RFID企业大都是中小型企业，技术研发水平还比较薄弱，感知/延伸层的数据收
9、集、识别技术仍有待突破。1.3研究内容及目的整体看，我国物联网的网络层技术相对成熟，感知/延伸层和应用层技术仍在研究发展之中，尚未形成成熟的技术体系。并且当前市场上隶属于感知/延伸层的模块不是很多，其中基于Zigbee的无线通信技术的感知模块其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。但其致命缺点是给模块供电存在严重问题。由蓝牙无线电技术组成的感知模块其特点是低功耗，小体积以及低成本。存在的缺点是模块与模块通信距离受到限制（10 米），仅限于短距离。通过上述几种通信方式的比较，本系统采用先进的电力载波通讯技术，无需复杂繁琐的布
10、线，只需将感知模块、执行模块和协调器接在同一电力线上就可互联、通信，轻松解决供电、传输距离等问题。可实现房间灯光、电动窗帘、电视系统、空调系统等系统集中控制，能够实时监测房间温度、湿度、光照等，对节约能源、降低费用、室内环境检测起到了积极的作用，是一种基于电力载波通信组成的网络控制系统，便于形成成熟的技术体系，可推广。2 电力载波通讯技术综述2.1 电力载波技术概述电力载波通讯即PLC，是英文Power line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要
11、有电线，就能进行数据传递。电力载波通信是在工频为50Hz的电力输电线路上传输的一种载波通信。根据所使用的耦合方式的不同，分为相地结合和相相结合高频通道。通信所采用有载波通信为相地结合的高频通道、保护专用载波收发信机通常采用相相结合的高频通道。电力载波通信的传输频带一般为40-500kHz。载波通信是有线长途通信中应用十分广泛的一种通信方式。它是根据频率斑移、频率分割原理，将原始信号对载波进行一次或多次调制，搬移到不同的线路传赖频带，然后送到线路上转输，从而实现多路通信的一种通信方式。载波通信不仅可用来实现多路电话通信，而且还可以二次复用，在一个或若干个话路上开放载波电报、广播节目、电视、传真、
12、传掐数据和实时遥控、送信、遥测信号等。2.2 电力载波通讯技术及其应用现状 电力线载波通信技术(Power Line Carrier CommunicationPLCC)是利用电力线网作为传输媒介,将载有信息的高频信号加载到电力线上,用电力线进行数据传输,通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来,传送到终端设备。数十年来 ,国内电力线载波通信技术基本上用在电力行业内部,其研究内容为低速的电力线载波通信技术,它用来传输电网调度管理所需的远动信息及低速率的电力线载波语音通信。近年来,随着数字电子技术的发展,电力行业传统的电力线载波通信技术己经开始向数字化方向发展。通过电力线载波技术在
13、低压输电网上传送信号,并将其应用于各种控制系统 ,现成的电力线即能作为传送控制信号的媒体。由于其不再需要专门的控制线路或无线网络,相对于传统的有线电缆控制系统,基于电力线载波通信技术的控制系统的硬件成本和施工难度能够大大降低。正是基于电力载波通信技术的诸多优越性以及市场对其持有较高的认可度，我们设计了这款基于电力载波技术的环境感知与协调器的控制系统，设计分为协调器、感知模块、执行模块，共同构成星状网络结构，实现由点及面的控制方式。在设计中，考虑到操作的难易程度，我们从控制方式入手，在协调器的液晶屏上显示出控制页面，由用户直接操作页面的控制方式，很大程度上方便用户的使用。在感知模块和执行模块方面
14、，为了能够方便的嵌入到电器的接口处，我们将其的体积缩减到最小，同时使用自制稳定的开关电源，增强系统的安全性与稳定性。实现了各模块与协调器的集中化、网络化、智能化控制。2.3 电力载波通信的基本原理和构成方式一定频率的电信号可以直接进行短距离传输, 如需进行长距离传输,可有多种方式如:微波光纤载波, 电力载波通信是通过将语音频率频率变换到适合线路传输的较高的频率上传送给对方,对方接收到信号后再经过反变换的方式恢复成语音信号。 所谓频率搬移实质上就是变频。变频器示意图如下： 图2.1 变频器示意图 通常传送上边带（F+f）、下边带（F-f）两个边带和载频分量的方式称为双带制，只传送一个边带，另一个
15、边带与载频被抑制的方式称作单边带抑制载频传输。目前电力载波机通常采用后一种传送方式。多次变频：要将语音信号搬移至40-500kHz的范围内，可进行一次直接调制至高频，也可以将信号进行若干次调制后变换为合适的传输频率，后者有利于抑制无用信号。载波通信的传输方式：为实现载波通信系统的双向通信通常采用双频带二线制传输和单频带四线制传输方式。前者是在同一对导线上，两个传输方向上采用两个不同的传输频带，以区分收信和发信两种不同的信号。后者是在同两对导线上，两个传输方向上采用相同的传输频带。双向载波通信原理图： 图2.2 双向载波通信原理图2.4 电力载波在应用中的优点和不足电力线载波是一种利用高压输电线
16、路作为高频信号传输线路的长途通信方式，用于电力调度所与变电所、发电厂之间的通信是电力系统特有的一种通信方式。利用高压输电线路传输高频电流具有以下优点：（1） 路衰减小，发信功率的有效利用率高，传输距离长。（2） 电力线路机械强度很高，因而具有较高的传输可靠性。（3） 由于载频被抑制，因此保密性好。（4） 无需单独敷设通信线路，节约成本。因此，电力线载波对小容量、长距离通信来说，是一种经济可靠的通信方式。多年来，在电力系统通信网的规划设计中，电力线载波作为电力系统传输信息的基本手段得到了广泛的应用。但是电力线载波通讯也有以下的缺点：（1） 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能
17、在一个配电变压器区域范围内传送，这对网络的互联有了很大的限制。（2） 三相电力线间有很大信号损失（10 dB -30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。（3） 电力线存在本身固有的脉冲干扰，目前使用的交流电有50HZ和60HZ，则周期为20ms和16.7ms，在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰。3 系统总体设计 3.1 系统原理概述本系统从总体的设计上可以分为三个部分：协调器、感知模块、执行模块，在系统中使用电力载波模块实现各模块之间的通讯，电力载波模块是以已有的电力线
18、作为传送信号媒介，这样的传送途径可以使信号受到更小的干扰，从而以更好的效果实现两个电路间的通讯，这也就是使用电力载波通讯技术的特点所在。 协调器：液晶显示电路、开关电源电路、S3C2440芯片处理电路、BWP08电力载波电路、蜂鸣器控制电路。感知模块：开关电源电路、PIC16F688单片机处理电路、BWP08电力载波电路、温湿度光照电路。执行模块：开关电源电路、PIC16F688单片机处理电路、BWP08电力载波电路、可控硅控制电路。系统中各部分的连接是由电力载波模块通讯实现的，整个系统的控制端是我们日常所使用的触摸按键以及旋钮。以触摸按键为例，通过人手在LCD屏幕上触摸选择，产生中断信号，经
19、S3C2440芯片处理后，转换为各个控制信号，由S3C2440芯片的串口发出，通过电力载波模块BWP08将信号加载至电力线，然后进行模块间的通讯，也就使控制信号流动到了执行模块和感知模块的接收电路部分。接收电路首先将信号通过电力载波模块BWP08解调下来送入单片机，在执行模块中的单片机内部经过处理和识别，继而通过单片机控制可控硅来实现对用电设备的控制。在感知模块中的单片机经过信息处理，控制温湿度模块的各种数据的采集和发送。3.2 系统总体设计原理图及框图3.2.1 系统原理图图3.1 系统原理图3.2.2 系统设计框图图3.2 系统设计框图3.3 方案的选择与论证通过对设计题目的理解和相关资料
20、的分析，本系统主要涉及的器件有：电力载波模块、ARM、单片机、液晶屏、光耦与可控硅、温湿度、光照传感器。在设计的过程中，通过对市场上现有电力载波模块的了解，发现国内这方面的产品也很多，如科强科技公司生产的KQ-100F KQ-110L、迪飞电子公司的WD16E，这些模块电力载波模块都有不错的性能，但是最终选定的是深圳市比威尔科技公司生产的BWP08A这款电力载波模块，原因是这款模块的体积较小，功能较完备，而且其外围电路比较成熟，便于我们硬件电路的设计。在协调器的控制芯片选择上，我们则使用之前使用过较熟悉的S3C2440芯片，此芯片具有多用途、高性能、低成本和低功耗的优点，高可靠性的看门狗自带了
21、片上RC振荡器，能够避免程序锁死。具有丰富的外设控制器，利于系统开发，比如LCD控制器也是本芯片自带的。感知模块和执行模块选取的是14引脚的贴片芯片PIC16F688，此款芯片的优点是内存资源丰富，运行速度快，性能稳定，完全可以实现系统的各项设计要求，而且有足够的引脚可以实现功能的扩展。另外此单片机的相关资料都很丰富，使用技术的熟练程度已经很高，便于进行程序的书写和调试工作，对整个设计的进程有很大的促进作用。在执行模块电路中，最终实现控制用电器的是可控硅，因为可控硅体积小巧，且电路在设计和使用上都是比较容易实现的。4 系统硬件结构的设计4.1 电力载波模块外围硬件电路的设计电力载波模块是我们系
22、统的核心器件，实现模块间的通讯则是重中之重，在做其他的工作之前，首要的任务就是要使模块间实现通讯，具体的做法是可以先在PC机上使用串口调试助手实现两个模块的通讯，期间会涉及模块的内部参数设置等程序，然后再根据我们系统要求分别设计出发射电路和接收电路。4.1.1 电力载波模块BWP08ABWP08 嵌入式电力线调制解调器（电力线载波模块、电力线 MODEM）是深圳市必威尔科技有限公司（）全力打造的专业电力线载波产品，其核心芯片采用国际著名公司的专用电力载波集成电路，配合必威尔科技专门研发的通讯算法及电力线接口信号驱动电路，使得产品具有通信速率高，通讯可靠，抗杂波干扰能力强，通讯距离远等特点，是专
23、门为适应中国国内电力线应用环境而研发的高性能电力线载波通讯产品。 BWP08 是专门针对智能家居及灯饰控制市场研发设计，产品具有体积小，通讯可靠，通讯频点可调，功能可定制特点，可以广泛应用于智能家居，灯饰控制，家电控制等领域。BWP08 电力载波模块采用 5-12V宽电压设计，载波波特率 100bps-300bps 可调，有多种按口方式可供选择，包括UART、SPI 等二种接口，可以方便地与单片连接进行数据通讯，方便用户进行二 次开发，串行接口波特率可由用户设定，共有四种波特率可设置：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps。BWP08 主要针对智能家居等需要在小范围内进
24、行电力载波通讯的场合设计，通讯距离在 200m 以 下的电力线载波应用，采用 BWP08将非常合适，或者在直流环境下应用，通讯距离可以大幅度提高。 该模块载波速率、载波频率、串口速率、通讯数据模式等都可以由用户设置调整。在实际应用中， 通讯速率越低，通讯越可靠，传输距离越远，而且可以利用载波频率可设置的特点，在一条线路上，可以同时允许多条通讯链路同时工作，各链路之间互不干扰。 4.1.2 主要性能特点 电力载波模块BWP08A虽然是一个与高电压相关的器件，但是他的工作电源是我们常用到的5-12VDC，因为它是需要和微控制器进行接口连接的，所以它的接口也是非常重要的，其接口类型是TTL 电平串行
25、接口(UART)，SPI，半双工通讯 ，而通讯时的线上载波速率有100bps、200bps、300bps、400bps、500bps、600bps，分布还是比较宽的，而且这些频率都可以由用户设置，也很方便。串行接口速率为1200bps、2400bps、4800bps、9600bps，能由用户设置。这个芯片的工作环境是220VAC/110VAC，50/60Hz，直流线路，无电导体，通讯距离是小于200m的，(轻负载条件或者直流线路情况下，通讯距离可能大于 200m)，在传送数据时，数据传输类型是固定字节长度传输（1-32 字节）、固定帧长度传输（32-256 字节），电力线载波频率：65KHz、
26、88KHz、113 KHz、140KHz、170KHz、202KHz，也是可配置的，其调制解调方式为DSSS（直序扩频） ，工作温度的范围是比较宽的，可以从20至70，外形尺寸为DIP18 双列直插封装(宽度：600mil，脚距：100mil)，这和我们常用的直插式单片机是相似的。4.1.3 外形及引脚定义 BWP08 电力载波模块采用双列直插式设计，体积小巧，采用全贴片式元件，可以方便地嵌入用户的应用系统中，外观与普通集成电路一样。 图4.1 BWP08引脚图序号名称输出/输出电器参数功能1SIN输入1.4VPP接收载波信号输入2F输出3.3V模块滤波电容，100uF3INT/P5通用I/O
27、TTL电平，5VSPI接口信号输出，低电平有效/通用I/O，外加上拉电阻4VO输出3Vrms载波信号发送输出端口5NSS输入TTL电平，5V SPI接口片选引脚，低电平有效，外加上拉电阻6MOSI输入TTL电平，5VSPI数据输入，外加上拉电阻7RXD输入TTL电平，5V串口数据输入，（模块接受数据）8TXD输出TTL电平，5V串口数据输出，（模块发送数据）9GND电源电源地电源10MISO输出TTL电平，5V串口数据输出，外加上拉电阻11SCK输入TTL电平，5V串口数据输入，外加上拉电阻12RST输入TTL电平，5V模块复位引脚，低电平有效，模块内部已有复位电路，用户也可以外接复位13P6
28、通用I/OTTL电平，5V通用I/O ，用户不可用14P1通用I/OTTL电平，5V通用I/O ，用户不可用15P2通用I/OTTL电平，5V通用I/O ，用户不可用16P3通用I/OTTL电平，5V通用I/O ，用户不可用17P4通用I/OTTL电平，5V通用I/O ，用户不可用18VCC电源5V , 12V模块工作电源，5-12V直流电源表4.1 BWP08 引脚功能定义 4.1.4 采用串行接口与用户系统连接 BWP08 电力载波模块使用 TTL 电平串口与用户系统进行连接，并使用交叉连接方式进行连接， 通讯采用收、发、地三线制方式。当用户系统为 TTL 电平串口时，可以直接与模块进行交
29、叉连接通讯，无须 RS232 电平转换，所以用户可以直接使用单片机的串行接口（UART）与载波模块进行连接通讯，当用户系统为标准 RS232 接口时，需要增加串口电平转换芯片进行电平转换，比如 MAX232 等芯片进行串口电平转换。 图 4.2 载波模块通讯连接示意图4.1.5 要点说明(1) 工作电源需在规定的要求范围内 BWP08 使用 5V-12VDC 供电，电压不能高于 12V，最低不能低于 4.5V，必须保证模块的供电电源在规定的范围内。 （2） 正确进行通讯端口的连接 BWP08 模块提供 TTL 电平的通讯口，串口波特率共有四种进行选择 （1200bps、2400bps、4800
30、bps、9600bps），在正常使用前必须正确地配置好模块的参数，如果模块的串口波特率与用户系统的串口波特率不一致，那么将导致模块无法接收用户数据，还无法将电力线上的数据发送给用户。 （3） 电力线上载波波特率必须保持一致 由于 BWP08 电力载波模块的载波波特率可以设置，所以用户在实际使用前必须根据自身系统所处实际应用环境选择好线上通讯波特率，不同波特率的模块无法相互通讯。按照正常情况，载波波特率越低，数据传输越可靠、传输距离也越远。（4） 载波数据传输类型必须一致 在应用中，BWP08 的载波波特率及载波频率一致的情况下，就可以相互通讯，即使串口波特率不一致也可以，但前提条件是：载波数据
31、的传输类型必须一致。目前 BWP08 载波模块有两种传输类型，一种是定长传输，另一种是定帧传输。如果定长类型的模块与定帧类型的模块相互混用，那么将导致定帧模块每次都会接收到最大帧长度的字节数，因为定长模块在发送时，不发送帧尾，定帧类型的模块由于收不到帧尾，所以无法判断用户数据何时结束，将一直处于接收状态，直到收满最大帧长度为止。如果定帧类型的模块向定长类型的模块发送数据，那么定长模块只接收预设的字节数后便停止接收，如果发送的字节数小于预设的字节长度，那么模块将接收线上噪音数据，只到收满预设长度为止。所以在正常情况下，一个网络中，必须将所有模块的传输类型保持一致。 （5） 如果通讯距离达不到要求，应使用软中继功能 在使用中，实际的通讯距离达不到要求，可以采用两种方式，一种是缩短两个模块的安装距离，另一个就是采用软中继功能，以此增加通讯距离。（6） 保证相互通信的模块处于电力线的同一相中 在使用时，需要确认相互通讯的模块处于电力线的同一相中，由于 BWP08 电力载波模块不能跨相传输数据，所以如果相互通讯的模块如果不处于同一相中，那么有可能导致通讯失败。 4.1.6 电力载波调制解调电路的设计 首先要理解的是电
