摘  要： 設計以單片機為核心的室內環境數據采集與電器控制裝置，運用現有單相電力線載波調制解調器實現PC機與該裝置之間的數據通信，構成基于電力線載波通信的計算機環境監測與電器控制網絡，用戶可實時監測溫濕度等環境數據，以PC機遠程控制電器的運行，管理車間、倉庫的照明、設備、空調等，在有效控制室內溫濕度等的同時節能降耗，可廣泛應用于智能車間、智能倉庫等領域。

　　關鍵詞： 電力線載波；環境監測；電器控制；智能車間

0 引言

　　隨著計算機的日益普及，在室內以單片機為核心構成室內環境數據監測、家電與照明裝置控制系統[1-3]，是加強用電管理、節能降耗和實現家居的有效手段，已日益得到重視。而在現代倉儲中，倉庫內的溫濕度、氮氧含量等在貨物的存儲中起相當重要的作用，必須對其進行實時監測與遠程管理，以保障貨物不變質，同時車間的照明、設備集中遠程監控也是加強管理、節能降耗的重要手段之一?；诖耍疚奶岢鲆詥纹瑱C為核心構成電器本地開關控制和環境數據采集裝置，采用電力載波通信技術，構建以PC機為集中控制器的電器控制與室內溫濕度等環境參數監測網絡，實現倉庫、車間電器集中控制與管理，優化倉庫的倉儲條件。在數據的傳輸中選擇電力線作為傳輸媒介具有以下優點：（1）利用現有低壓電力線作為數據傳輸媒介，無需重新架設網絡，維護量小，成本低；（2）由于數據傳輸在有限空間范圍內進行，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 控制網絡結構

　　控制網絡結構如圖1所示。

　　網絡由PC機、電力線載波通信模塊、若干個并接在電力線上的電器開關控制與環境參數采集模塊（圖中稱為控制模塊）、環境參數檢測傳感器、受控電器等構成。在同一臺變壓器下，多個控制模塊可并接在同一電力線上，以PC機為主控制器，構成一小型智能電器網絡，不僅可以使用傳統的開關手動直接控制電器的啟停，也可通過PC機對電器實現遠程集中自動控制，并可實時監測環境，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定，體積小巧，集成度高，使用方便，在無需重新架設網絡的基礎上可實現數據的可靠傳輸。

2 環境監測與電器控制

　　網絡中的控制模塊硬件結構如圖2所示，該模塊以STC12C5A60S2系列單片機為控制核心，其主要功能：一是可通過手動開關控制電器的啟停；二是可通過BWP10A電力載波調制解調器接收PC機的操作命令自動遠程控制電器的啟停；三是可采集和發送環境數據到主控制器上。本地開關的數量和傳感器的類型可根據實際需要進行配置，靈活可靠。

　　2.1 環境參數監測

　　實驗中采用溫度傳感器DS18B20監測室內溫度。溫度傳感器DS18B20是一個數字量輸出的溫度傳感器，具有獨特的一線接口，且該傳感器的驅動程序的編寫相對簡單，可用現成的驅動模塊，加快了系統的開發速度。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測溫需求。

　　DS18B20接單片機的P3.4口，采集到的環境參數可通過電力載波模塊傳送到PC機上實時顯示。

　　根據倉庫、車間環境控制的實際需求還可增加濕度、氧氣含量等傳感器，監測倉庫、車間環境參數，據此可通過遠程控制裝置控制相應的空調等電器裝置的運行狀況，優化倉庫的倉儲條件。

　　2.2 電器控制

　　如圖2所示，實驗中一個控制模塊接8個手動開關和8個輸出控制繼電器，手動控制開關接在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。電器控制有手動開關控制與基于電力載波通信的PC機遠程控制兩種方式。PC機上會實時顯示電器的運行狀態，PC機操作與顯示界面如圖4所示。

3 基于電力線載波的數據通信

　　本系統以BWP10A嵌入式電力線調制解調器[4]實現網絡內PC機和單片機之間的數據交換，傳輸的數據包括控制指令、電器狀態、溫度等環境參數。系統采用主從工作方式，PC機為主控設備，電器開關控制與溫度數據采集模塊為從機設備，各從機設備獨立編址，互不干擾。

　　3.1電力載波模塊與PC機和單片機的連接

　　BWP10A嵌入式電力線調制解調器采用TTL電平串行接口，可直接與單片機的串口P3.0、P3.1連接，與PC機的RS232串口連接時需進行電平轉換，在此選擇MAX232作為電平轉換芯片。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電力線上實現局域通信。

　　3.2 基于電力線載波的數據通信

　　3.2.1 數據通信協議

　　BWP10A電力載波模塊可以自由配置電力線上數據通信模式，目前有兩種通信模式可供用戶選擇：固定字節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據傳輸通道，數據傳輸與用戶協議無關，模塊采用擴頻編碼方式，抗干擾能力強，傳輸距離遠，數據傳輸可靠。通信過程中，由用戶通信協議保證數據傳輸的可靠性。

　　本系統使用固定字節長度傳輸方式，數據幀的總長度為10 B，數據域為1 B。幀格式的詳細說明見表1。

　　3.2.2 數據校驗

　　為保證數據的可靠性，采用CRC（循環冗余碼）進行數據校驗，其基本思想是利用線性編碼理論，在發送端根據要傳送的k位二進制碼序列，根據生成多項式G（X）產生一r位校驗碼（即CRC碼），構成一個新的（k+r）位二進制碼后進行發送，接收端接收數據后，將接收到的二進制序列碼（包括信息碼和CRC碼）除以相同的生成多項式G（X），如果余數為0，則說明數據傳輸正確，否則說明傳輸有誤，可申請重新發送。CRC校驗法出錯的概率幾乎為零，是數據通信中普遍采用的通信規約之一。實驗中16位CRC碼計算公式為：

　　其中B（X）表示要發送的二進制序列數（從幀頭到校驗和，共8 B），G（X）為生成多項式，按CRC-CCITT取G（X）=X16+X12+X5+1，運算結果中的R（X）即為CRC碼，實際編程時采用按半字節求CRC的算法。

4 PC機集中控制與環境監測

　　PC機電器遠程控制與環境監測軟件以VB為開發工具，設計了基于電力載波的數據通信、控制與顯示等程序和人機界面。在操作界面中，如圖4所示，設計了電器狀態顯示圖標，可實時顯示電器的運行狀態，使用操作按鈕可控制對應電器的運行，在數據窗口中可實時顯示控制模塊采集到的環境參數，軟件具備對各電器的分類查詢功能，可及時了解網絡內所有電器的狀態。

　　實際測試使用本地開關和控制用計算機分別控制白熾燈的狀態，設置了多種組態，測試結果表明手動開關與PC機指令能按照控制要求獨立且一致地控制白熾燈的開關，且溫度檢測準確，數據傳輸可靠，電器狀態與溫度參數顯示正常，界面友好，操作方便。

5 結束語

　　基于電力載波通信的計算機電器控制網絡運用計算機技術、低壓電力線載波通信技術、自動檢測技術實現了電器的集中控制和環境參數的采集與實時顯示，通過一臺計算機即可有效監測車間、倉庫的環境，優化對車間、倉庫等的電器、設備管理，節能降耗。整個裝置操作方便，控制快捷。

　　參考文獻

　　[1] 趙玉璽，曹衍龍，俞天白，等.基于電力線載波通信的照明控制系統設計[J].工業控制計算機，2005，18（8）：11-12.

　　[2] 許敏.基于電力載波通信的家電控制系統[J].河北科技大學學報，2007，28（4）：281-284.

　　[3] 李曉廣，賈占嶺.基于電力載波的家電遠程控制[J].現代電子技術，2007，269（6）：47-49.

　　[4] 深圳市必威爾科技有限公司.單相電力線載波調制解調器BWP10A產品說明書[Z].2013.