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)測與電器控制網(wǎng)絡(luò),,用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)測溫濕度等環(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,、倉庫的照明、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、智能倉庫等領(lǐng)域,。
關(guān)鍵詞: 電力線載波,;環(huán)境監(jiān)測;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、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)代倉儲(chǔ)中,,倉庫內(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?;诖?,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)測網(wǎng)絡(luò),,實(shí)現(xiàn)倉庫、車間電器集中控制與管理,,優(yōu)化倉庫的倉儲(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)測環(huán)境,,操作簡單,,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
實(shí)驗(yàn)中采用溫度傳感器DS18B20監(jiān)測室內(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的測量溫度范圍為-55 ℃~+125 ℃,,測溫精度為±0.5 ℃,完全可以滿足一般的室內(nèi)測溫需求,。
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)倉庫,、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)測倉庫,、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)化倉庫的倉儲(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)長度傳輸和固定幀長度傳輸,。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)長度傳輸方式,,數(shù)據(jù)幀的總長度為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
PC機(jī)電器遠(yuǎn)程控制與環(huán)境監(jiān)測軟件以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
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)測車間,、倉庫的環(huán)境,,優(yōu)化對(duì)車間、倉庫等的電器,、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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