一种基于电力线载波局域网的远程监控系统节点

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一种基于电力线载波局域网的远程监控系统节点 \n所属技术领域\n[0001] 本实用新型涉及网络节点，尤其是基于电力线载波局域网的远程监控系统节点的设计。 \n背景技术\n[0002] 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，只要有电线，就能进行数据传递。从20世纪80年代以来，特别是在单片机和集成化革命以来，该系统在电力系统得到广泛的应用。它为用户提供数字化社区服务和电子商务，提供高速因特网访问服务、话音服务，可实现家庭办公和远程家电控制，实现防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统。 [0003] 国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网（480V/277V，208V/120Vac）的标准频率范围100KHz-450KHz和针对欧洲地区电网（400V/230Vac）的标准频率范围9KHz-150KHz。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出自己的电力线载波modem芯片。目前，有几款电力线载波modem芯片在我国使用。我国可使用的电力线载波modem芯片及模块可分调频和多频或者分为宽带调制及窄带调制。 \n[0004] 目前电力线载波的应用主要在家庭宽带电力猫等应用上。采用宽带调制芯片，结合OFDM调制技术可以实现家庭宽带插口与电力插口的统一，覆盖无线WLAN的盲区，在短距离大带宽应用上载波通讯得到了较好发展。宽带电力猫结构上包含微控制器，宽带电力线载波芯片以及模拟接口。数字以太网信号被调制芯片加载到电力线上进行传输，接收端再从经过调制的电力载波信号中解调过滤出数字以太网信号，从而实现家庭计算机通过室内电线进行网络通讯，再配合家庭路由器实现上网的功能。 \n[0005] 远程监控系统通常采用较为成熟的有线网络实现监控区域的各个节点间的通讯及组网，部署成本较大，且部署节点相对固定。监控区域组网后通过HTTP服务器或视频服务器可以实现远程监控。随着物联网的兴起，无线传感网在一些对数据量要求低的监控网络中得到了很好应用。比如在每个节点上安装通过GPRS模块，使得节点的检测数据实时通过GPRS信号连入互联网，从而实现远程的监控。 \n[0006] 传统的远程监控系统通常采用专有有线网络实施信号的传输或组网，部署成本高，广大中小型企业无法承担，且远程监控应用中有很大一部分无需大带宽，数据量低的应用（如农牧业，矿产，公共服务等），传统的远程监控系统的部署门槛过高。物联网中无线传感网虽然很好的提供了低速率通讯组网功能，但无线信号可靠性低，受环境变化影响大，且信号穿透能力低，往往需要部署大量的中继节点，提高了成本。且由于无线互联网的数据流量费用，也提高了整个系统的运营成本。 \n发明内容\n[0007] 为了解决现有远程监控系统存在的问题，本实用新型提供一种基于电力线载波局域网的远程监控系统节点的设计。它正是基于监控节点需要供电这一基本事实，采用电力线载波技术实现数据通讯与电力供给合一的设计，既节省了重新部署专有网络的高费用，又实现通讯信号的有线通讯，提高了通讯的可靠性，且无额外运营费用，极大地降低了系统的部署成本，为远程监控系统在各行各业的大规模使用提供了解决方案。 [0008] 为达到以上目的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于电力线载波局域网的远程监控系统节点，所述远程监控系统包括信息采集节点、控制终端、上位机，所述远程监控系统节点是一种电力线载波通讯应用于组建本地局域网，并与以太网通讯及传感器集合一体的远程监控系统设备。 \n[0009] 本实用新型所述局域网的载体是现有的电力线。所述控制终端具有以太网接入功能，在控制终端上运行uIP Web 服务器，通过以太网线连入与上位机进行数据传输。所述采集节点是具有电力线通讯能力的嵌入式设备，可根据应用环境的不同加挂不同的传感器，采集节点可采用与控制节点相同的设计，应用时屏蔽以太网通讯端口即可。所述控制终端采用模块化设计。所述模块化设计是由ARM嵌入式微处理器，电力线载波模块，温湿度传感模块组成。所述控制终端即远程环境数据的获取可通过控制节点上运行的WEB服务器与远程服务器的通讯完成。所述控制终端同时具有电力线PLC通讯能力，能与下级采集节点进行环境信息的通讯。 \n[0010] 采用以上技术方案后，本实用新型的有益效果是：节省了组建远程监控网络的重新布线费用，特别适合低成本，低速率的远 程监控应用。相对于无线组网方案，具有对环境要求低，适用对于复杂环境下的远程监控，通讯可靠，点对点通讯距离高，且无任何额外运营成本等优点，是一种简单、经济、实用的远程监控系统。 \n附图说明\n[0011] 下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。 \n[0012] 图１为本实用新型远程监控系统的结构示意图。 \n具体实施方式\n[0013] 根据图１所示，本实用新型一种基于电力线载波局域网的远程监控系统节点，使用普遍存在的电线作为通讯载体，采用电力线载波通讯技术组建局域网，并用电力线载波通讯技术、以太网通讯及传感器集合成远程监控系统。所述远程监控系统包括信息采集节点、控制终端、上位机，所述远程监控系统节点是一种电力线载波通讯应用于组建本地局域网，并与以太网通讯及传感器集合一体的远程监控系统设备。 \n[0014] 本实用新型所述局域网的载体是现有的电力线。所述控制终端具有以太网接入功能，在控制终端上运行uIP Web 服务器，通过以太网线连入与上位机进行数据传输。所述采集节点是具有电力线通讯能力的嵌入式设备，可根据应用环境的不同加挂不同的传感器，采集节点可采用与控制节点相同的设计，应用时屏蔽以太网通讯端口即可。所述控制终端采用模块化设计。所述模块化设计是由ARM嵌入式微处理器，电力线载波模块，温湿度传感模块组成。所述控制终端即远程环境数据的获取可通过控制节点上运行的WEB服务器与远程服 务器的通讯完成。所述控制终端同时具有电力线PLC通讯能力，能与下级采集节点进行环境信息的通讯。 \n[0015] 本实用新型控制终端的硬件设计： \n[0016] 控制终端是整个系统工作的关键，是联系本地传感网和因特网的纽带。该终端的任务是：\n[0017] (a) 通过电力线传输模块完成对采集节点的信号传输和控制，获得采集节点的各个环境参数，上传给远程计算机。 \n[0018] (b)管理Web Server的运行，接受远程计算机的命令返回实时数据。 [0019] (c)监控该终端下传感网络的运行情况。 \n[0020] 该终端采用模块化设计，主要是由ARM嵌入式微处理器，电力线载波模块，温湿度传感模块等组成。具体如下： \n[0021] a．嵌入式系统控制模块。本设计采用美国德州仪器公司Stellaris® 6000 系列基于 ARM® Cortex-M3 的lm3s6965主控芯片，采用100脚封装，核心工作频率50MHz，支持\n256kB flash存储器和64kB SRAM，内置10/100以太网ＭＡＣ／ＰＨＹ，ＳＳＩ／ＳＰＩ总线接口，２路Ｉ２Ｃ总线，３路ＵＡＲＴ串口，４通道高精度１０位Ａ／Ｄ转换器。\n[0022] b．电力线载波模块。本设计采用意法半导体的低速率，频移键控电力载波芯片ＳＴ７５４０芯片，它采用比ＳＴ７５３８尺寸更小，接脚数更少的２８脚封装，集成了单端功率放大器，带有可接入的输入输出线，能外接滤波器网络，提供优异的线性功率性能，提供了更大的设计灵活性，降低了应用的元件数和成本。ＳＴ７５４０内 部集成了发送和接受数据的所有功能，通过串口通讯可以方便地与微控制器相连。内部具有电压，电流自动控制控制功能，只要通过耦合变压器等很少器件就可以直接连接到电力线上。 [0023] [00020]c．温湿度一体传感器（选用，可根据养殖环境要求配备其他传感器）。本设计采用瑞士Sensirion公司的ＳＨＴ１１温湿度一体传感器，采用Ｉ２Ｃ总线接口与主控制器相连。温度测量范围：－４０～＋１２３．８℃，湿度测量范围：０～１００％ＲＨ，具有高精度，响应迅速，抗干扰力强，性价比高等特点。\n[0024] 本实用新型中硬件电路主要分为３个部分：电源部分、微控制器及数字模块、ＰＬＣ电力线载波通信模块及滤波网络。 \n[0025] 电源模块：２２０Ｖ交流电既是ＰＬＣ通信载体也是本设计的电源。本设计中微控制器为３.３Ｖ直流供电，ＳＴ７５４０为１２Ｖ直流供电。２２０Ｖ交流电先经过变压器降为１５Ｖ，再通过整流桥整流为１５Ｖ直流，然后通过ＬＭ７８１２稳压管为ＳＴ\n７５４０提供稳定的１２Ｖ直流电源。由于１２Ｖ至３.３Ｖ之间压降较大，不利于ＡＭＳ\n１１１７－３Ｖ３长时间工作，本设计中增加了过渡级５Ｖ稳压输出。电源设计功率为５Ｗ。 \n[0026] 微控制器及数字模块：微控制器lm3s6965使用Ｉ２Ｃ总线与传感器相连，Ｉ２Ｃ总线中的ＤＡＴＡ数据线需要上拉电阻以确保Ｉ２Ｃ总线协议的正确运行。与载波芯片ＳＴ７５４０的通讯采用ＵＡＲＴ异步串行口，通讯时序由微控制器设定，减少了同步传输可能带来的时序问题。反应载波情况的载波信号（ＣＤ／ＬＰ）与过热报警（ＢＵ／ＴＨＥＲＭ）分别于微控制器的ＧＰＩＯ口相连。ＲｘＴｘ信号为载波芯片的读写控制信号。微控制器内部集成10/100 以 太网MAC和PHY层以及LED显示控制信号，输入及输出以差分信号输出到RJ45接口上。 \n[0027] PLC电力线载波通信模块及滤波网络：ST7540采用12V单电源同时为内部数字模块及功放模块供电，采用3.3V数字电路接口电压，无需电平转换可直接与微控制器相连。与主控制器的通讯模式为UART异步串口模式，比特率2400，电力线载波通信中心频率为132.5kHz，调制模式为频移键控（FSK），数值“0”和“1”的实际传输频率为131836Hz和133138Hz。ST7540内部功放输出电压最大峰峰值7.5V，最大输出电流500mArms。发送通道滤波器包括主动和被动两部分。主动滤波器由一个简单RC低通网络（截止频率为\n197.7kHz）和一个二阶低通滤波器（截止频率为203.6kHz）组成，对于载波信号的2次，3次谐波有较好的过滤作用。被动滤波器由解耦电容和电感组成。耦合变压器的使用既可以实现强弱电分离，又有利于电力线负载的阻抗匹配。接受通道滤波器由一个电阻串联LC并联谐振器组成。中心频率为130.1kHz，品质因子Q为2.6。 \n[0028] 本实用新型中远程环境数据的获取可通过控制节点上运行的WEB服务器与远程服务器的通讯完成。该WEB服务器采用uIP协议栈。uIP协议栈是一种免费的极小的TCP/IP协议栈，使用C语言编写，去掉了全功能TCP/IP协议栈中不常用的功能，保留网络通信所必要的协议机制，大大减少了协议代码量，降低了协议对系统资源的要求，uIP的代码量在几千字节左右，仅需几百字节的内存就可顺利运行，适合嵌入式系统中的应用。 [0029] 控制节点的主程序采用中断加轮循的方式，用中断触发的方式接受采集节点通过电力线传来的数据，开设置了一个接收队列暂 存这些数据。在程序中轮循有无网络数据包输入，如有则调用uIP的相关处理函数；如无则检测定时轮循中断是否发生。向远程服务器定时上报本地节点所采集信息并写入远程服务器数据库。 \n[0030] 所有环境信息采集子节点在上电后都处于等待接受状态。由于共享电力线总线，控制节点数据帧信息将被所有子节点接受，只有与ID字节匹配的子节点会退出接收状态，根据命令字节的内容调用相应的温度或湿度读取子程序，获得当前子节点环境参数。然后子节点上ST7540进入发送模式将自身ID及环境参数发送回控制终端，发送完成后子节点重新进入等待接受状态，避免多个子节点同时占用电力线总线。