物联网(Internet of Things)的基本概念是在计算机互联网的基础上，利用射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议将任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，构造一个覆盖万事万物的实物互联网，进而在互联网的基础上提供专为供应链企业的各种信息服务[1]。物联网主要解决物到物T2T(Thing to Thing)、人到物H2T(Human to Thing)、人到人H2H(Human to Human)之间的互联，实现信息采集和监测、信息汇总和处理、远端设置和控制等功能。
　物联网的体系结构分为网络感知层、传输网络层和应用网络层三个组成部分[2]。为方便应用，通常把感知网络层与传输网络层中的接入子层设计到一个模块中，这就是所谓的物联网传感器节点。物联网传感器节点通常包括各种传感器、信息获取与处理、信息传输等关键部件，必要时还可添加执行机构以控制某些物件的状态。在信息传输中，对于具有电网线路的领域，利用电力线载波通信PLCC(Power Line Carrier Communication)传输物联网中的一些信息是非常合适的。
　PLCC是电力系统特有的有线通信方式，是现成、可靠的信息传输通道，具有传输路由合理、信道无需建设等特点。电力载波除可进行网络通信、语音通信以外，还可实现电表、水表、燃气表等计量仪表数据信息的远程读取[3]；可作为永久在线连接链路，构建防盗、防火、防毒气泄漏等安全监控系统；可构建老年监护系统和医疗急救系统等等。可见，PLCC用途广泛、应用前景良好。利用PLCC构建物联网传感器节点不仅是可行的，而且也是非常必要的。在充分考虑物联网传感器节点的组成以及应用需求基础上[4]，提出并设计了一种基于PLCC的物联网传感器节点，并对此进行了实验测试。结果表明该设计正确合理，传感器节点适用性强，性能指标达到了预期要求。
1 技术基础
　在对目前的物联网技术、PLCC技术、无线传感器网络以及微处理器应用等现状进行调研后,选用SoC单片机C8051F021作为主控单元,SC1128芯片作为电力线载波通信核心部件，配合相关接口电路、放大电路以及耦合电路等外围器件，设计并制作了物联网传感器节点。
　SoC单片机C8051F021是Silicon Laboratories推出的一款片上系统(System on Chip)单片机，主要特点是：内核和指令系统与MCS-51系列单片机完全兼容；指令执行速度高达25 MIPS;全部I/O、RST、JTAG引脚均允许5 V电压输入；程序运行过程中可进行内部、外部时钟切换以减小单片机功耗等。
　C8051F021除具备MCS-51系列单片机的功能部件外，还增加了多种片内资源，主要包括：4 KB的外部数据存储器和64 KB的Flash程序存储器；5个通用定时器/计数器和一个可编程计数器阵列PCA(Programmable Counter Array)；全双工的UART、SMBus总线(与I2C总线兼容)以及SPI等多种串行通信接口电路；模拟/数字转换、数字/模拟转换以及程控增益放大器等[5]。
　SC1128是北京智源利和微电子技术有限公司推出的一款适合我国电网状况的电力线载波通信芯片，采用了直接序列扩频、DPSK调制等新技术,集成了扩频/解扩、调制/解调、输出驱动、信号处理、串口通信等部件[6]，具有单5 V电源供电、数据速率较高、功能强大、成本低廉、抗干扰及抗衰减性能强等优点，非常适合在小型多功能系统中使用。
2 传感器节点电路设计
　物联网传感器节点适用于低压电力线的场合，例如智能家居、楼宇监控、智能小区管理等。设计的理念是构造一款适合多种传感器接口的物联网节点,采用电力线载波作为网络通信媒介，并引入一些控制电路，以便在必要时触发执行部件动作。
    传感器节点的组成及其与外部电路的连接框图如图1所示，虚线框内是基于PLCC的物联网传感器节点结构图，SoC单片机C8051F021为PLCC主控单元。

　传感器节点实现三种基本功能:提交传感器感知的信息、接收上位机的命令以及修改自身的工作参数。提交传感器信息即将模拟或数字传感器所感知的信息由相应的接口进入单片机。单片机对这些信息进行处理后送交芯片SC1128，再经过SC1128扩频调制以及功率放大，就可将已调载波信号由耦合电路耦合至电力线。电力线上的已调载波可被挂接在线上的上位机接收和处理，并通过网关汇聚到物联网中。
　传感器节点可接收上位机控制命令以使控制电路可操控某些外部事件(例如切断电源、开启风扇等)。物联网中的控制中心将一些必要的命令由网关送达上位机，上位机将这些信息通过电力线载波分发到传感器节点的前端，经过耦合、带通滤波、前置放大与SC1128解调后以数字形式送交单片机，单片机解析后即可命令控制电路操控外部执行部件。
　传感器节点的工作参数可通过节点外部的配置设备进行改动，这不仅能使节点适应不同动态范围的传感器件，而且还可依据电网状况调整电力载波通信方式以达到信息传输稳定可靠的目的。
2.1 模拟、数字接口电路和控制电路
　单片机的模拟、数字接口电路和控制电路如图2所示，包括两路模拟输入通路、三路数字输入通路和三路控制输出通路，可外接两个模拟传感器、三种数字传感器，具有光耦输出、可控硅输出和OC门输出三种形式的控制输出电路。

    模拟输入通路包括可编程增益放大器PGA103、低通滤波器LF以及单片机内部的程控增益放大器。模拟传感器的输出加到PGA103输入端，经程控放大和低通滤波后，送入单片机的模拟输入引脚；单片机内部对输入的模拟信号再进行放大处理,并以两通路轮流ADC转换方式，把两路模拟传感器的信息转换成两个12 bit的数字量值。
　PGA103的电压增益分为1、10、100三档，增益大小由A1、A0 引脚选择。考虑到单片机内部程控放大器的电压增益又分为0.5、2、4、8、16五个等级，因此模拟输入通路电压增益的变化范围在0.5~1 600之间，如此宽的动态范围足以匹配多数模拟传感器输出信号幅度的要求。
　单片机为数字传感器提供了UART、SPI和I2C三种接口形式，分别映射到了单片机的P0.0~P0.7引脚上可以适应多种数字传感器的接口要求，其中的UART使用的是单片机的UART0。
2.2  SC1128芯片接口电路
　单片机与SC1128接口电路如图3所示。图中与非门、D1、C1、R10等构成单片机上电复位电路，而SC1128的DOGOUT引脚在该芯片自身不能正常工作时将输出复位脉冲，迫使单片机复位，以便提高传感器节点工作的可靠性。

　单片机的时钟由SC1128芯片的CP12M引脚提供，从而可使单片机与SC1128同步工作。单片机对SC1128的配置通过P2.4、P2.3和P2.2引脚完成，这三个引脚分别接SC1128的CS、SETCLK和LINE引脚，其中CS为片选输入端，SETCLK为设置同步时钟输入端，LINE为串行数据输入/输出端(双向端口)。
　单片机发射或接收数据是通过P2.7、P2.6和P2.5引脚完成的，这三个引脚分别接SC1128的SR、SYN和TX引脚，其中SR是发射/接收控制引脚，SYN是发射/接收同步脉冲引脚，TX是发射/接收数据引脚。
2.3 SC1128芯片与电力线接口电路
　SC1128芯片与电力线接口电路如图4所示，主要包括耦合电路、输出通道与输入通道三部分。耦合电路由变压器T1、浪涌保护二极管TVS1、电阻R13以及箝位二极管D4、D5等元器件构成，是已调载波信号的输入和输出通道，并起到隔离220 V/50 Hz交流电的作用。输出通道指Q1~Q4及相关元件组成的推挽功率放大器，输入为SC1128芯片SEND引脚送出的已调载波，功放的输出信号加到T1绕组，经变压器耦合后送入低压交流电网中。输入通道由带通滤波器和前置放大器构成，带通滤波器是中心频率为250 kHz、带宽为100 kHz的无源LC滤波电路，起到滤除杂波、阻抗匹配的作用。前置放大器由多级晶体管放大电路组成，电压增益为75 V，可对小信号进行线性放大。

　工作参数表包括模拟输入通路的增益分配、数字输入通路的工作模式、SC1128芯片的工作参数以及发送传感信息的时间间隔等量值。
　(3)采集传感器数据、发送电力载波信息：单片机交替采集模拟传感器信息，以中断方式接收数据传感器量值，并将这些数据整理后送交SC1128进行扩频调制，再经过功率放大后耦合到电力线上。
　(4)检测、处理、执行上位机控制命令：电力线上挂接的上位机可对传感器节点发送命令以使控制电路完成必要的控制操作。当上位机传来控制命令载波信息时，SC1128将这种信息解调并送交单片机，单片机解析后就可启动控制电路工作。
　(5)返回过程(3)，循环执行程序。
4 传感器节点的测试结果与结论
　对设计出的物联网传感器节点进行了实验测试，测试内容主要包括传感器信息采集能力测试和PLCC通信性能测试两大部分，此外对其他一些项目也进行了测试。
4.1 传感器信息采集能力测试
    传感器节点外接的模拟传感器1选用美国模拟器件公司的AD590温度传感器，模拟传感器2选用河北省邯郸市大自然测控技术有限公司的BCQ-AH25 湿度测量模块，数字传感器采用芬兰VTI公司生产的高精度双轴倾角传感器SCA100T，并通过SPI接口与传感器节点相连。经过多次测试，得到的结果为：环境温度在20℃~35℃变化时,温度测试结果的精度为±0.5℃；在25℃、60%RH环境下测试湿度，实际测试结果的相对误差小于±3.3%RH。SPI接口工作正常，测量值与标称值一致。
4.2 PLCC通信性能测试
    对PLCC通信性能测试主要包括输出通道信号频率和幅度测试以及输入通道接收灵敏度测试。测试条件为：SC1128芯片采用16 MHz主晶振，8 MHz工作频率, 4个周波数，62 500 Hz码片速率，63 bit扩频码长，250 kHz载频，100 kHz载波带宽以及992 b/s的波特率；PLCC输入通道的总增益为120 dB。
    PLCC通信性能测试结果为：输出通道中SC1128送出249.2 kHz、峰-峰值2.7 V的DPSK已调载波，而功率放大器输出248.5 kHz、峰-峰值为12.5 V的已调载波；输入通道接收灵敏度为-90 dBm。
    测试结果表明，该物联网传感器节点实现了预期的各种功能，达到了性能指标要求。传感器节点不仅能够稳定、可靠地采集传输信息，而且具有可灵活配置节点参数、可外接多种传感器件、可远程控制执行部件工作、无需新建信息传输通道等特点，因此具有广泛的应用前景，并将在物联网应用领域起到积极的作用。
参考文献
[1] 吴德本. 物联网综述[J].有线电视技术,2011(1)：107-110.
[2] 赵静，喻晓红，黄波，等.物联网的结构体系与发展[J].通信技术，2010,43(9)：106-108.
[3] 易平波，朱良学，刘志英. 国内电力线载波数传模块的研发分析[J].电子科技，2009，22(2)：55-59.
[4] COOPER J, JAMES A. Challenges for database management in the Internet of Things[J]. IETE Technical Review, 2009,26(5):321-329.
[5] 张迎新，雷文，姚静波.C8051F系列SoC单片机原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2005.
[6] 陈炎桂，陈志伟，关德新.基于SC1128的无线扩频通信系统[J].电子技术应用，2005,31(12):57-58.