摘  要： 设计以单片机为核心的室内环境数据采集与电器控制装置，运用现有单相电力线载波调制解调器实现PC机与该装置之间的数据通信，构成基于电力线载波通信的计算机环境监测与电器控制网络，用户可实时监测温湿度等环境数据，以PC机远程控制电器的运行，管理车间、仓库的照明、设备、空调等，在有效控制室内温湿度等的同时节能降耗，可广泛应用于智能车间、智能仓库等领域。

　　关键词： 电力线载波；环境监测；电器控制；智能车间

0 引言

　　随着计算机的日益普及，在室内以单片机为核心构成室内环境数据监测、家电与照明装置控制系统[1-3]，是加强用电管理、节能降耗和实现家居的有效手段，已日益得到重视。而在现代仓储中，仓库内的温湿度、氮氧含量等在货物的存储中起相当重要的作用，必须对其进行实时监测与远程管理，以保障货物不变质，同时车间的照明、设备集中远程监控也是加强管理、节能降耗的重要手段之一。基于此，本文提出以单片机为核心构成电器本地开关控制和环境数据采集装置，采用电力载波通信技术，构建以PC机为集中控制器的电器控制与室内温湿度等环境参数监测网络，实现仓库、车间电器集中控制与管理，优化仓库的仓储条件。在数据的传输中选择电力线作为传输媒介具有以下优点：（1）利用现有低压电力线作为数据传输媒介，无需重新架设网络，维护量小，成本低；（2）由于数据传输在有限空间范围内进行，在很大程度上降低了电力载波通信的局限性的影响；（3）可以灵活改变电器位置。

1 控制网络结构

　　控制网络结构如图1所示。

　　网络由PC机、电力线载波通信模块、若干个并接在电力线上的电器开关控制与环境参数采集模块（图中称为控制模块）、环境参数检测传感器、受控电器等构成。在同一台变压器下，多个控制模块可并接在同一电力线上，以PC机为主控制器，构成一小型智能电器网络，不仅可以使用传统的开关手动直接控制电器的启停，也可通过PC机对电器实现远程集中自动控制，并可实时监测环境，操作简单，控制灵活。电力载波模块采用了目前比较成熟的电力载波通信模块BWP10A，该系列载波模块性能稳定，体积小巧，集成度高，使用方便，在无需重新架设网络的基础上可实现数据的可靠传输。

2 环境监测与电器控制

　　网络中的控制模块硬件结构如图2所示，该模块以STC12C5A60S2系列单片机为控制核心，其主要功能：一是可通过手动开关控制电器的启停；二是可通过BWP10A电力载波调制解调器接收PC机的操作命令自动远程控制电器的启停；三是可采集和发送环境数据到主控制器上。本地开关的数量和传感器的类型可根据实际需要进行配置，灵活可靠。

　　2.1 环境参数监测

　　实验中采用温度传感器DS18B20监测室内温度。温度传感器DS18B20是一个数字量输出的温度传感器，具有独特的一线接口，且该传感器的驱动程序的编写相对简单，可用现成的驱动模块，加快了系统的开发速度。DS18B20的测量温度范围为-55 ℃~+125 ℃，测温精度为±0.5 ℃，完全可以满足一般的室内测温需求。

　　DS18B20接单片机的P3.4口，采集到的环境参数可通过电力载波模块传送到PC机上实时显示。

　　根据仓库、车间环境控制的实际需求还可增加湿度、氧气含量等传感器，监测仓库、车间环境参数，据此可通过远程控制装置控制相应的空调等电器装置的运行状况，优化仓库的仓储条件。

　　2.2 电器控制

　　如图2所示，实验中一个控制模块接8个手动开关和8个输出控制继电器，手动控制开关接在P0.0~P0.7，输出控制继电器接在P2.0~P2.7，通过控制P2.0~P2.7的输出电平可控制继电器的通断，从而控制电器的启停，控制电路如图3所示。电器控制有手动开关控制与基于电力载波通信的PC机远程控制两种方式。PC机上会实时显示电器的运行状态，PC机操作与显示界面如图4所示。

3 基于电力线载波的数据通信

　　本系统以BWP10A嵌入式电力线调制解调器[4]实现网络内PC机和单片机之间的数据交换，传输的数据包括控制指令、电器状态、温度等环境参数。系统采用主从工作方式，PC机为主控设备，电器开关控制与温度数据采集模块为从机设备，各从机设备独立编址，互不干扰。

　　3.1电力载波模块与PC机和单片机的连接

　　BWP10A嵌入式电力线调制解调器采用TTL电平串行接口，可直接与单片机的串口P3.0、P3.1连接，与PC机的RS232串口连接时需进行电平转换，在此选择MAX232作为电平转换芯片。BWP10A电力载波模块提供半双工通信功能，可以在220/110 V，50/60 Hz电力线上实现局域通信。

　　3.2 基于电力线载波的数据通信

　　3.2.1 数据通信协议

　　BWP10A电力载波模块可以自由配置电力线上数据通信模式，目前有两种通信模式可供用户选择：固定字节长度传输和固定帧长度传输。该模块为用户提供了透明的数据传输通道，数据传输与用户协议无关，模块采用扩频编码方式，抗干扰能力强，传输距离远，数据传输可靠。通信过程中，由用户通信协议保证数据传输的可靠性。

　　本系统使用固定字节长度传输方式，数据帧的总长度为10 B，数据域为1 B。帧格式的详细说明见表1。

　　3.2.2 数据校验

　　为保证数据的可靠性，采用CRC（循环冗余码）进行数据校验，其基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的k位二进制码序列，根据生成多项式G（X）产生一r位校验码（即CRC码），构成一个新的（k+r）位二进制码后进行发送，接收端接收数据后，将接收到的二进制序列码（包括信息码和CRC码）除以相同的生成多项式G（X），如果余数为0，则说明数据传输正确，否则说明传输有误，可申请重新发送。CRC校验法出错的概率几乎为零，是数据通信中普遍采用的通信规约之一。实验中16位CRC码计算公式为：

　　其中B（X）表示要发送的二进制序列数（从帧头到校验和，共8 B），G（X）为生成多项式，按CRC-CCITT取G（X）=X16+X12+X5+1，运算结果中的R（X）即为CRC码，实际编程时采用按半字节求CRC的算法。

4 PC机集中控制与环境监测

　　PC机电器远程控制与环境监测软件以VB为开发工具，设计了基于电力载波的数据通信、控制与显示等程序和人机界面。在操作界面中，如图4所示，设计了电器状态显示图标，可实时显示电器的运行状态，使用操作按钮可控制对应电器的运行，在数据窗口中可实时显示控制模块采集到的环境参数，软件具备对各电器的分类查询功能，可及时了解网络内所有电器的状态。

　　实际测试使用本地开关和控制用计算机分别控制白炽灯的状态，设置了多种组态，测试结果表明手动开关与PC机指令能按照控制要求独立且一致地控制白炽灯的开关，且温度检测准确，数据传输可靠，电器状态与温度参数显示正常，界面友好，操作方便。

5 结束语

　　基于电力载波通信的计算机电器控制网络运用计算机技术、低压电力线载波通信技术、自动检测技术实现了电器的集中控制和环境参数的采集与实时显示，通过一台计算机即可有效监测车间、仓库的环境，优化对车间、仓库等的电器、设备管理，节能降耗。整个装置操作方便，控制快捷。

　　参考文献

　　[1] 赵玉玺，曹衍龙，俞天白，等.基于电力线载波通信的照明控制系统设计[J].工业控制计算机，2005，18（8）：11-12.

　　[2] 许敏.基于电力载波通信的家电控制系统[J].河北科技大学学报，2007，28（4）：281-284.

　　[3] 李晓广，贾占岭.基于电力载波的家电远程控制[J].现代电子技术，2007，269（6）：47-49.

　　[4] 深圳市必威尔科技有限公司.单相电力线载波调制解调器BWP10A产品说明书[Z].2013.