基于電力線載波技術(shù)的智能傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 基于電力線載波原理，結(jié)合電子表單和多余度技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于電力線載波技術(shù)的智能傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；闡述了整套系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案及工作原理，并分別細(xì)述了系統(tǒng)主要模塊的硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)終端軟件及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。整套系統(tǒng)能夠兼容多種不同類型的傳感器，同時還具有易擴(kuò)展、可靠性高、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于油田鉆井通信、工業(yè)測試臺架等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 電力線載波； 傳感器網(wǎng)絡(luò)； 傳感器電子數(shù)據(jù)表； 總體設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN926?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0168?03

Abstract： A new design scheme of the intelligent sensor network system based on power line carrier technology is presented in this paper， which could take advantages of the electronic form and redundancy technologies. The overall design scheme and working principle of the system， as well as main module’s hardware design， network terminal’s software design and host computer’s software design of the system are elaborated. This proposed system can be compatible with a variety of different types of sensors， applied to many areas， such as oilfield drilling communication， industrial test bed， etc.， and has the merits of high scalability， maintainability and reliability.

Keywords： power line carrier； sensor network； transducer electronic data sheet； overall design

0 引 言

傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于軍事、國土安全、環(huán)境監(jiān)測、社區(qū)安防、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1]。傳感器網(wǎng)絡(luò)可理解為由一組傳感器以自組織方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其作用是感知、采集和處理所覆蓋區(qū)域的感知對象的各種信息[2]。從定義可以看出，傳感方式有無線和有線兩種方式。目前傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通信方式以及接口協(xié)議也各不相同[3]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)在城市傳感系統(tǒng)、森林安全監(jiān)測、煤礦安全監(jiān)測、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[4?6]。對于無線信號無法覆蓋或阻隔過于嚴(yán)重的環(huán)境中，只能采用有線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)。但在工業(yè)中，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多，用有線方式組網(wǎng)布線相當(dāng)復(fù)雜，不利于之后的檢修及維護(hù)。電力線載波技術(shù)是指利用電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)[7]，通俗的講就是用兩根線來完成供電和數(shù)據(jù)的傳輸這兩項(xiàng)功能。電力線載波通信在智能樓宇、智能電網(wǎng)、電能自動抄表技術(shù)、油田鉆井通信等領(lǐng)域有著較明顯的優(yōu)勢[8?9]。本文將電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，開發(fā)了一套可用于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，整套系統(tǒng)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性好、便于維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案與工作原理

系統(tǒng)整體方案見圖1。整個網(wǎng)絡(luò)由上層網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制器、供電與傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)終端組成。整個系統(tǒng)是由上層網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)完成控制，依靠以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)控制器的通信，然后通過數(shù)據(jù)與供電傳輸網(wǎng)絡(luò)，再與可擴(kuò)展的多個傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)完成通信。上位機(jī)軟件接入以太網(wǎng)后，可實(shí)現(xiàn)對整套傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各個節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程測控。系統(tǒng)中，供電與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)就是指供電和信息傳輸共用一對傳輸電纜。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)終端模塊主要是以嵌入式處理器為核心，局部總線上分布有可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的以太網(wǎng)接口，并設(shè)計(jì)了包含傳感器電子數(shù)據(jù)表的FLASH存儲，這種設(shè)計(jì)可用于連接多個可重構(gòu)配置模塊的SPI接口。以太網(wǎng)接口的功能是完成傳感器網(wǎng)絡(luò)終端與供電/數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

FLASH的功能是完成電子表單中信息的存儲及可重構(gòu)邏輯數(shù)據(jù)流和信息的配置。圖2為智能傳感模塊結(jié)構(gòu)圖，主要由電力線耦合模塊、載波終端模塊以及其他外圍模塊構(gòu)成。

智能傳感模塊所用的核心處理器是STM32F103ZET6，外圍電路主要是對提供時鐘的晶振電路、對芯片供電的電源保護(hù)電路、處理器復(fù)位電路、人工控制的按鍵電路及SPI通信的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端模塊中數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、電子表單信息的存儲及網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

供電與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計(jì)是基于電力線載波模塊LX200V20，要實(shí)現(xiàn)電力線載波技術(shù)就應(yīng)該搭建信號指示電路、電力線載波輸入/輸出電路以及以太網(wǎng)接口電路。

2.2 傳感網(wǎng)絡(luò)控制器模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)控制器的作用是管理和控制整個網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器網(wǎng)絡(luò)終端模塊，并可以把供電/傳輸網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)解調(diào)出來。該電路的設(shè)計(jì)和供電與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接口模塊的硬件電路設(shè)計(jì)相似，主要功能是完成電力線上數(shù)據(jù)的傳輸及與上層應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換。因此，網(wǎng)絡(luò)控制器的作用是通過接收上位機(jī)發(fā)出的指令控制整個傳感網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)控制器模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)終端軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。工作原理如下：

（1） 每個傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)電子表單的信息建立對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的通信地址，完成傳感器網(wǎng)絡(luò)終端與模塊客戶端的建立。

（2） 掃描智能傳感模塊各通道并獲取傳感器配置信息，等待網(wǎng)絡(luò)控制器的控制命令，準(zhǔn)備采集傳感器的數(shù)據(jù)或控制執(zhí)行器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制器向傳感網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送查詢命令，客戶端與上位機(jī)通信連接，讀取智能傳感模塊的初始配置信息。

（3） 網(wǎng)絡(luò)控制器周期地發(fā)送數(shù)據(jù)采集或執(zhí)行器控制命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)終端將相應(yīng)通道采集的數(shù)據(jù)及執(zhí)行結(jié)果打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)控制器的緩沖區(qū)內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)控制器從緩沖區(qū)向?qū)?yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，經(jīng)過電子表單解碼后由智能傳感模塊對相應(yīng)執(zhí)行器進(jìn)行控制。

（4） 上位機(jī)通過讀取網(wǎng)絡(luò)控制器緩沖器中的數(shù)據(jù)，解析各個智能傳感模塊節(jié)點(diǎn)，由此完成構(gòu)建整個傳感網(wǎng)絡(luò)并更新采集的數(shù)據(jù)。

同樣，通過上位機(jī)軟件的操作，可以向任意的智能傳感模塊的執(zhí)行器發(fā)送控制命令。傳感器網(wǎng)絡(luò)終端軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖4所示。傳感器網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)軟件界面如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文通過電力線載波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信號與電能同線傳輸功能；采用可重構(gòu)技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)終端模塊根據(jù)不同的測試要求可快速地重新配置；在傳感網(wǎng)絡(luò)中，預(yù)留了以太網(wǎng)接口，可以將測試數(shù)據(jù)及控制命令傳到上位機(jī)中，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制的功能；上位機(jī)的軟件能夠完成顯示數(shù)據(jù)、繪制曲線、保存數(shù)據(jù)及繪制傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的功能。傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠維護(hù)和管理整個傳感網(wǎng)絡(luò)，客觀的保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性，整套系統(tǒng)便于維護(hù)，擴(kuò)展性強(qiáng)。

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