物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)的基本概念是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，構(gòu)造一個覆蓋萬事萬物的實物互聯(lián)網(wǎng)，進而在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上提供專為供應(yīng)鏈企業(yè)的各種信息服務(wù)[1]。物聯(lián)網(wǎng)主要解決物到物T2T(Thing to Thing)、人到物H2T(Human to Thing)、人到人H2H(Human to Human)之間的互聯(lián)，實現(xiàn)信息采集和監(jiān)測、信息匯總和處理、遠端設(shè)置和控制等功能。
　物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)分為網(wǎng)絡(luò)感知層、傳輸網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層三個組成部分[2]。為方便應(yīng)用，通常把感知網(wǎng)絡(luò)層與傳輸網(wǎng)絡(luò)層中的接入子層設(shè)計到一個模塊中，這就是所謂的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點。物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點通常包括各種傳感器、信息獲取與處理、信息傳輸?shù)汝P(guān)鍵部件，必要時還可添加執(zhí)行機構(gòu)以控制某些物件的狀態(tài)。在信息傳輸中，對于具有電網(wǎng)線路的領(lǐng)域，利用電力線載波通信PLCC(Power Line Carrier Communication)傳輸物聯(lián)網(wǎng)中的一些信息是非常合適的。
　PLCC是電力系統(tǒng)特有的有線通信方式，是現(xiàn)成、可靠的信息傳輸通道，具有傳輸路由合理、信道無需建設(shè)等特點。電力載波除可進行網(wǎng)絡(luò)通信、語音通信以外，還可實現(xiàn)電表、水表、燃氣表等計量儀表數(shù)據(jù)信息的遠程讀取[3]；可作為永久在線連接鏈路，構(gòu)建防盜、防火、防毒氣泄漏等安全監(jiān)控系統(tǒng)；可構(gòu)建老年監(jiān)護系統(tǒng)和醫(yī)療急救系統(tǒng)等等。可見，PLCC用途廣泛、應(yīng)用前景良好。利用PLCC構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點不僅是可行的，而且也是非常必要的。在充分考慮物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的組成以及應(yīng)用需求基礎(chǔ)上[4]，提出并設(shè)計了一種基于PLCC的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點，并對此進行了實驗測試。結(jié)果表明該設(shè)計正確合理，傳感器節(jié)點適用性強，性能指標達到了預(yù)期要求。
1 技術(shù)基礎(chǔ)
　在對目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PLCC技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及微處理器應(yīng)用等現(xiàn)狀進行調(diào)研后,選用SoC單片機C8051F021作為主控單元,SC1128芯片作為電力線載波通信核心部件，配合相關(guān)接口電路、放大電路以及耦合電路等外圍器件，設(shè)計并制作了物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點。
　SoC單片機C8051F021是Silicon Laboratories推出的一款片上系統(tǒng)(System on Chip)單片機，主要特點是：內(nèi)核和指令系統(tǒng)與MCS-51系列單片機完全兼容；指令執(zhí)行速度高達25 MIPS;全部I/O、RST、JTAG引腳均允許5 V電壓輸入；程序運行過程中可進行內(nèi)部、外部時鐘切換以減小單片機功耗等。
　C8051F021除具備MCS-51系列單片機的功能部件外，還增加了多種片內(nèi)資源，主要包括：4 KB的外部數(shù)據(jù)存儲器和64 KB的Flash程序存儲器；5個通用定時器/計數(shù)器和一個可編程計數(shù)器陣列PCA(Programmable Counter Array)；全雙工的UART、SMBus總線(與I2C總線兼容)以及SPI等多種串行通信接口電路；模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換以及程控增益放大器等[5]。
　SC1128是北京智源利和微電子技術(shù)有限公司推出的一款適合我國電網(wǎng)狀況的電力線載波通信芯片，采用了直接序列擴頻、DPSK調(diào)制等新技術(shù),集成了擴頻/解擴、調(diào)制/解調(diào)、輸出驅(qū)動、信號處理、串口通信等部件[6]，具有單5 V電源供電、數(shù)據(jù)速率較高、功能強大、成本低廉、抗干擾及抗衰減性能強等優(yōu)點，非常適合在小型多功能系統(tǒng)中使用。
2 傳感器節(jié)點電路設(shè)計
　物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點適用于低壓電力線的場合，例如智能家居、樓宇監(jiān)控、智能小區(qū)管理等。設(shè)計的理念是構(gòu)造一款適合多種傳感器接口的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點,采用電力線載波作為網(wǎng)絡(luò)通信媒介，并引入一些控制電路，以便在必要時觸發(fā)執(zhí)行部件動作。
    傳感器節(jié)點的組成及其與外部電路的連接框圖如圖1所示，虛線框內(nèi)是基于PLCC的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖，SoC單片機C8051F021為PLCC主控單元。

　傳感器節(jié)點實現(xiàn)三種基本功能:提交傳感器感知的信息、接收上位機的命令以及修改自身的工作參數(shù)。提交傳感器信息即將模擬或數(shù)字傳感器所感知的信息由相應(yīng)的接口進入單片機。單片機對這些信息進行處理后送交芯片SC1128，再經(jīng)過SC1128擴頻調(diào)制以及功率放大，就可將已調(diào)載波信號由耦合電路耦合至電力線。電力線上的已調(diào)載波可被掛接在線上的上位機接收和處理，并通過網(wǎng)關(guān)匯聚到物聯(lián)網(wǎng)中。
　傳感器節(jié)點可接收上位機控制命令以使控制電路可操控某些外部事件(例如切斷電源、開啟風扇等)。物聯(lián)網(wǎng)中的控制中心將一些必要的命令由網(wǎng)關(guān)送達上位機，上位機將這些信息通過電力線載波分發(fā)到傳感器節(jié)點的前端，經(jīng)過耦合、帶通濾波、前置放大與SC1128解調(diào)后以數(shù)字形式送交單片機，單片機解析后即可命令控制電路操控外部執(zhí)行部件。
　傳感器節(jié)點的工作參數(shù)可通過節(jié)點外部的配置設(shè)備進行改動，這不僅能使節(jié)點適應(yīng)不同動態(tài)范圍的傳感器件，而且還可依據(jù)電網(wǎng)狀況調(diào)整電力載波通信方式以達到信息傳輸穩(wěn)定可靠的目的。
2.1 模擬、數(shù)字接口電路和控制電路
　單片機的模擬、數(shù)字接口電路和控制電路如圖2所示，包括兩路模擬輸入通路、三路數(shù)字輸入通路和三路控制輸出通路，可外接兩個模擬傳感器、三種數(shù)字傳感器，具有光耦輸出、可控硅輸出和OC門輸出三種形式的控制輸出電路。

    模擬輸入通路包括可編程增益放大器PGA103、低通濾波器LF以及單片機內(nèi)部的程控增益放大器。模擬傳感器的輸出加到PGA103輸入端，經(jīng)程控放大和低通濾波后，送入單片機的模擬輸入引腳；單片機內(nèi)部對輸入的模擬信號再進行放大處理,并以兩通路輪流ADC轉(zhuǎn)換方式，把兩路模擬傳感器的信息轉(zhuǎn)換成兩個12 bit的數(shù)字量值。
　PGA103的電壓增益分為1、10、100三檔，增益大小由A1、A0 引腳選擇。考慮到單片機內(nèi)部程控放大器的電壓增益又分為0.5、2、4、8、16五個等級，因此模擬輸入通路電壓增益的變化范圍在0.5~1 600之間，如此寬的動態(tài)范圍足以匹配多數(shù)模擬傳感器輸出信號幅度的要求。
　單片機為數(shù)字傳感器提供了UART、SPI和I2C三種接口形式，分別映射到了單片機的P0.0~P0.7引腳上可以適應(yīng)多種數(shù)字傳感器的接口要求，其中的UART使用的是單片機的UART0。
2.2  SC1128芯片接口電路
　單片機與SC1128接口電路如圖3所示。圖中與非門、D1、C1、R10等構(gòu)成單片機上電復(fù)位電路，而SC1128的DOGOUT引腳在該芯片自身不能正常工作時將輸出復(fù)位脈沖，迫使單片機復(fù)位，以便提高傳感器節(jié)點工作的可靠性。

　單片機的時鐘由SC1128芯片的CP12M引腳提供，從而可使單片機與SC1128同步工作。單片機對SC1128的配置通過P2.4、P2.3和P2.2引腳完成，這三個引腳分別接SC1128的CS、SETCLK和LINE引腳，其中CS為片選輸入端，SETCLK為設(shè)置同步時鐘輸入端，LINE為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端(雙向端口)。
　單片機發(fā)射或接收數(shù)據(jù)是通過P2.7、P2.6和P2.5引腳完成的，這三個引腳分別接SC1128的SR、SYN和TX引腳，其中SR是發(fā)射/接收控制引腳，SYN是發(fā)射/接收同步脈沖引腳，TX是發(fā)射/接收數(shù)據(jù)引腳。
2.3 SC1128芯片與電力線接口電路
　SC1128芯片與電力線接口電路如圖4所示，主要包括耦合電路、輸出通道與輸入通道三部分。耦合電路由變壓器T1、浪涌保護二極管TVS1、電阻R13以及箝位二極管D4、D5等元器件構(gòu)成，是已調(diào)載波信號的輸入和輸出通道，并起到隔離220 V/50 Hz交流電的作用。輸出通道指Q1~Q4及相關(guān)元件組成的推挽功率放大器，輸入為SC1128芯片SEND引腳送出的已調(diào)載波，功放的輸出信號加到T1繞組，經(jīng)變壓器耦合后送入低壓交流電網(wǎng)中。輸入通道由帶通濾波器和前置放大器構(gòu)成，帶通濾波器是中心頻率為250 kHz、帶寬為100 kHz的無源LC濾波電路，起到濾除雜波、阻抗匹配的作用。前置放大器由多級晶體管放大電路組成，電壓增益為75 V，可對小信號進行線性放大。

　工作參數(shù)表包括模擬輸入通路的增益分配、數(shù)字輸入通路的工作模式、SC1128芯片的工作參數(shù)以及發(fā)送傳感信息的時間間隔等量值。
　(3)采集傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)送電力載波信息：單片機交替采集模擬傳感器信息，以中斷方式接收數(shù)據(jù)傳感器量值，并將這些數(shù)據(jù)整理后送交SC1128進行擴頻調(diào)制，再經(jīng)過功率放大后耦合到電力線上。
　(4)檢測、處理、執(zhí)行上位機控制命令：電力線上掛接的上位機可對傳感器節(jié)點發(fā)送命令以使控制電路完成必要的控制操作。當上位機傳來控制命令載波信息時，SC1128將這種信息解調(diào)并送交單片機，單片機解析后就可啟動控制電路工作。
　(5)返回過程(3)，循環(huán)執(zhí)行程序。
4 傳感器節(jié)點的測試結(jié)果與結(jié)論
　對設(shè)計出的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點進行了實驗測試，測試內(nèi)容主要包括傳感器信息采集能力測試和PLCC通信性能測試兩大部分，此外對其他一些項目也進行了測試。
4.1 傳感器信息采集能力測試
    傳感器節(jié)點外接的模擬傳感器1選用美國模擬器件公司的AD590溫度傳感器，模擬傳感器2選用河北省邯鄲市大自然測控技術(shù)有限公司的BCQ-AH25 濕度測量模塊，數(shù)字傳感器采用芬蘭VTI公司生產(chǎn)的高精度雙軸傾角傳感器SCA100T，并通過SPI接口與傳感器節(jié)點相連。經(jīng)過多次測試，得到的結(jié)果為：環(huán)境溫度在20℃~35℃變化時,溫度測試結(jié)果的精度為±0.5℃；在25℃、60%RH環(huán)境下測試濕度，實際測試結(jié)果的相對誤差小于±3.3%RH。SPI接口工作正常，測量值與標稱值一致。
4.2 PLCC通信性能測試
    對PLCC通信性能測試主要包括輸出通道信號頻率和幅度測試以及輸入通道接收靈敏度測試。測試條件為：SC1128芯片采用16 MHz主晶振，8 MHz工作頻率, 4個周波數(shù)，62 500 Hz碼片速率，63 bit擴頻碼長，250 kHz載頻，100 kHz載波帶寬以及992 b/s的波特率；PLCC輸入通道的總增益為120 dB。
    PLCC通信性能測試結(jié)果為：輸出通道中SC1128送出249.2 kHz、峰-峰值2.7 V的DPSK已調(diào)載波，而功率放大器輸出248.5 kHz、峰-峰值為12.5 V的已調(diào)載波；輸入通道接收靈敏度為-90 dBm。
    測試結(jié)果表明，該物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點實現(xiàn)了預(yù)期的各種功能，達到了性能指標要求。傳感器節(jié)點不僅能夠穩(wěn)定、可靠地采集傳輸信息，而且具有可靈活配置節(jié)點參數(shù)、可外接多種傳感器件、可遠程控制執(zhí)行部件工作、無需新建信息傳輸通道等特點，因此具有廣泛的應(yīng)用前景，并將在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域起到積極的作用。
參考文獻
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