基于WSN和PLCC的智能大廈照明集控系統(tǒng)的設計

葉 崧

(金陵科技學院信息技術學院，江蘇南京 211169)

1 引言

照明集控系統(tǒng)是伴隨著計算機和通信網(wǎng)絡的迅速發(fā)展而興起的自動化應用系統(tǒng)。它主要由監(jiān)控中心 (主站)、數(shù)據(jù)通信、RTU(子站或節(jié)點)三大部分組成。監(jiān)控中心是系統(tǒng)的核心，負責控制管理整個系統(tǒng)的運行。RTU是智能測控模塊，完成各種遠端現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場執(zhí)行機構的控制，并將采集的數(shù)據(jù)上傳到主站，接受主站的指令對遠端現(xiàn)場遙控;數(shù)據(jù)通信則根據(jù)應用對象的不同有多種不同的通信規(guī)約。［1］

數(shù)據(jù)傳輸方式按數(shù)據(jù)傳輸介質不同分為有線和無線兩類。有線傳輸方式如:電力線載波、RS-485或CAN現(xiàn)場總線等。電力線載波利用現(xiàn)有的供電線路不需要另外鋪設專用通信線路，但載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域內(nèi)傳送;RS-485或CAN總線具有通信效率高、可靠性好等優(yōu)點，但是鋪設專用的線路工程造價較高，布線不便。無線傳輸方式如:VHF/UHF無線數(shù)傳電臺、ISM擴頻電臺、GPRS/3G等。無線通信方式能適應地理環(huán)境復雜、布線不方便的要求，同時在需要擴建子站時十分方便。

2 系統(tǒng)的總體結構

本系統(tǒng)采用基于電力線載波通信與遠程無線組網(wǎng)相結合的系統(tǒng)架構，本系統(tǒng)的模型如圖1所示。

通過系統(tǒng)結構示意圖可知，集中器作為系統(tǒng)主站，負責管理系統(tǒng)中的所有通信，并對收集到的各個現(xiàn)場采集終端的數(shù)據(jù)進行處理。從控節(jié)點使用無線通信與各個傳感器節(jié)點連接，并將采集到的數(shù)據(jù)通過載波通信主動上報給集中器。傳感器節(jié)點采用多點布置的方式，主要負責將其監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)經(jīng)由無線的方式傳遞到從控節(jié)點。系統(tǒng)也可采用定時查詢方式，由集中器發(fā)送命令查詢請求，由從控節(jié)點將各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)收集并返回。用戶可以通過任意一臺連入 Internet的終端訪問集中器。

本系統(tǒng)主要是由四大模塊組成，第一是電力載波模塊，主要是完成主機設備到從機設備的載波通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常發(fā)送以及遠程數(shù)據(jù)的反饋;第二是Zigbee無線模塊，主要是完成實現(xiàn)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)通信;第三是集中器模塊，選擇ARM+Linux系統(tǒng)作為主控平臺，內(nèi)嵌數(shù)據(jù)庫與Web服務器，來實現(xiàn)遠程控制命令的發(fā)送以及節(jié)點狀態(tài)顯示;第四是控制模塊，采用EasyArm615用于搭建一個從控節(jié)點，與一個Zigbee協(xié)調器節(jié)點相結合，形成一個星狀網(wǎng)絡拓撲結構，完成的無線組網(wǎng)，同時與照明配電箱一起完成照明控制。

3 硬件設計

傳感器節(jié)點主要是將捕捉的現(xiàn)場信號經(jīng)轉換器ADC采樣、量化、編碼后，變成數(shù)字信號傳給微處理器，從控節(jié)點使用無線通信與各個傳感器節(jié)點連接，并將采集到的數(shù)據(jù)通過載波通信主動上報給集中器。集中器主要工作是接收數(shù)據(jù)信息、進行節(jié)點管理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理。

3.1 載波通信模塊

由于從控節(jié)點的控制及狀態(tài)變化頻率并不是很高，并且采集的傳感器數(shù)據(jù)量也不大，因此窄帶電力線載波通信就能滿足本系統(tǒng)的需求。PL3106是專為自動抄表、物聯(lián)網(wǎng)以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)設計的單芯片片上系統(tǒng)。采用增強型8051兼容微處理器，其內(nèi)嵌了載波擴頻通信調制解調電路，外圍電路連接設計如圖2所示。［2］

電力線載波通信模塊的功能是實現(xiàn)各個節(jié)點間的通信，除了載波芯片外，還要包括發(fā)送電路和接收電路。PL3106芯片是基于PSK調制方式、采用直序擴頻通訊，載波發(fā)射中心頻率 120K，帶寬15kHz。當發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，載波信號由PL3106芯片的PSK_OUT引腳輸出，載波信號經(jīng)過由 Q1、Q2、Q3和Q4組成的互補推挽功率放大電路后進行功率放大后，經(jīng)過一個由電容電感構成的濾波器，過濾掉高次諧波后通過耦合線圈傳輸?shù)诫娏€上。當接收數(shù)據(jù)時，電力線上被調制的信號經(jīng)過一個由電容電感構成的并聯(lián)諧振回路，通過選頻處理后，再經(jīng)過一個電容輸入到PL3106芯片的SIGIN引腳。［3］

3.2 CC2430無線通信模塊

CC2430芯片整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和8051微控制器。具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模數(shù)轉換器、一個 IEEE 802.15.4 MAC定時器、一個16位定時器 and 2個8位定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。因此CC2430芯片不僅作為無線通信模塊，也同時作為整個傳感器節(jié)點的CPU模塊。外圍電路連接設計如圖3所示。

光傳感器節(jié)點的結構由一個CC2430模塊和2節(jié)1.5V電池構成，各個光測量節(jié)點被初始化為無信標網(wǎng)絡中的終端設備。上電復位后，開始搜索指定信道上的PAN協(xié)調器，并發(fā)出連接請求，建立連接成功后，它將得到一個16位短地址，并在以后用這個短地址通信。［4］節(jié)點開啟睡眠定時器，每隔6分鐘醒來一次，利用光傳感器檢測環(huán)境亮度，并發(fā)送給主節(jié)點，然后立即再次進入睡眠狀態(tài)，最大程度地降低功耗，延長從節(jié)點電池使用時間。

3.3 集中器模塊

集中器模塊主要包括ARM主控板 (控制器、存儲器、LCD顯示、以太網(wǎng)、上下行串行通信接口)、GPRS通信模塊、電力載波通信模塊(PLCC)。硬件總體框圖如圖4所示。

ARM主控板硬件分為核心板、擴展底板和外接通信模塊3部分。核心板包括主控制器和存儲器;在擴展底板上擴展電源電路、調試接口、以太網(wǎng)通信接口、串口/485通信接口、人機接口等電路。外接通信模塊包括GPRS模塊和電力載波通信模塊，核心板和外接通信模塊插接在擴展底板上。

4 軟件設計

本系統(tǒng)中，各節(jié)點獨立完成相應的數(shù)據(jù)采集、傳輸、以及顯示等任務，數(shù)據(jù)通信時各節(jié)點與數(shù)據(jù)集中器是“主從式接入”，采用點對點方式或全局廣播方式通信。因此系統(tǒng)軟件設計主要包括3大部分:電力載波通訊模塊;zigbee無線網(wǎng)絡通信模塊;集中控制器控制模塊。

圖3 無線通信芯片及外圍電路

圖4 多功能網(wǎng)關硬件總體框圖

4.1 電力載波通信

電力載波模塊通信為總線方式通信，不同載波模塊分配不同地址，為了防止多個模塊在電力線上產(chǎn)生通信沖突，通常將載波模塊常態(tài)為接收模式，檢測載波線路的同步幀頭 (0x09、0xAF)，當檢測到同步幀頭后，按通訊規(guī)約接收數(shù)據(jù)，接收到正確數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串口上傳控制板。只有收到控制板指令后，才啟動載波發(fā)射態(tài)，將控制板下發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送到載波線路上，發(fā)射結束后自動轉入載波接收狀態(tài)。［5］整個接收和發(fā)送過程均通過中斷方式處理，如圖5所示。

圖5 載波中斷流程圖

4.2 Zigbee通信

WSN傳感器采集節(jié)點的主程序流程圖如圖6所示，從控節(jié)點的主程序流程圖如圖7所示。在主程序中主要是對CC2430運行環(huán)境進行設置、初始化變量等，用一個while無限循環(huán)來等待中斷的發(fā)生，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。

圖6 傳感器采集節(jié)點的主程序流程圖

4.3 集中器

集中器平臺選用基于ARM720T的ARM芯片SEP4020，該平臺已經(jīng)裁剪并移植好Linux操作系統(tǒng)，便于在其基礎上完成各項相關應用程序的開發(fā)。

集中器監(jiān)控軟件包括:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示 (測試用)和遠程數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集功能負責獲取從串口傳過來的數(shù)據(jù)。具體過程是主線程中初始化并打開串口，建立串口接收信號，在信號處理函數(shù)里面，處理接收到的數(shù)據(jù)。當接到數(shù)據(jù)包時產(chǎn)生信號，在信號處理函數(shù)里調用協(xié)議轉換程序按照載波協(xié)議的定義解析數(shù)據(jù)，解析出原始數(shù)據(jù)中的節(jié)點號、傳感器模擬量、開關量值等信息。利用多線程技術，將數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)據(jù)存儲部分分別放在單獨的線程中處理，以提高程序的運行速度，通過在Linux上移植了嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以有效的實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的管理。

圖7 從控節(jié)點的主程序流程圖

為了便于遠程管理，系統(tǒng)移植了嵌入式WEB服務器BOA，并實現(xiàn)HTML表單和服務器端程序的接口 (CGI)，用戶通過Web瀏覽器完成Web網(wǎng)頁中表單 (Form)數(shù)據(jù)的輸入，并提交給Web服務器，CGI程序根據(jù)用戶的選擇完成一般的處理、數(shù)據(jù)庫查詢，將響應結果再回送給Web服務器及Web瀏覽器［6］。

5 結語

為滿足現(xiàn)場環(huán)境復雜、采集點分散的數(shù)據(jù)采集需要，本系統(tǒng)將WSN、電力線載波有機地結合在一起，將信息匯集之后通過WEB達到遠程管理的目的。該設計適合于現(xiàn)實應用中的多種需求，可以根據(jù)具體應用進行快速的裁剪和配置，具有實際的應用價值。同時該系統(tǒng)成本低，易構建，具有很強的擴展性，在一個具體的環(huán)境下進行照明控制和光傳感器實時地采集，通過實際應用，證實該設計的合理性及通用性，達到設計的初衷。本系統(tǒng)稍加改裝，在采集終端增加其他傳感器，例如二氧化碳傳感器、溫濕度等可用于室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，滿足經(jīng)濟實用的要求，具有良好的實用價值和應用前景。

［1］潘啟勇．城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)RTU的設計與實現(xiàn)［D］．蘇州大學，2007．

［2］PL3106系列芯片手冊．北京福星曉晨電子科技股份有限公司 ［EB/OL］．北京:2008

［3］高守瑋，王健，黃全振，朱曉錦．基于電力線載波通信的智能家居系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關設計 ［J］．電氣應用，2010，(15)．

［4］高守瑋，吳燦陽著．ZigBee技術實踐教程:基于CC2430/31的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案 ［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2009．

［5］賀同見，華澤璽．基于低壓電力線載波通信的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng) ［J］．儀表技術與傳感器，2010，(12)．

［6］王芳，王凱，王先超．基于ARM-Linux與DS18B20的溫度監(jiān)測系統(tǒng) ［J］．計算機工程與設計，2010，(12)．