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引言
近年来随着电力载波通信技术（PowerLineCarrier,PLC）的发展,电力载波通信已大量应用于工业生产及日常生活,如基于电力载波的远程抄表系统、电源监控系统、路灯控制系统、家居网络、病人体温测量系统等.
电力载波通信是利用高压电力线、中压电力线或低压配电线作为信息传输媒介进行数据信息传输的一种通信方式.它通过已经存在的供电网络实现不同的信息传输需求.由于供电网络本身是一种方便、低成本、高可靠性的通信媒介,使得电力载波通信变得方便、低成本、易实现.本文主要介绍一种将低压电力载波技术应用于室内温度的数据采集系统.该系统利用低压供电线路,将数据采集节点所采集到的室内温度通过转换器传输给上位机,从而完成对室内温度远程监测的功能.系统总体结构
系统网络组成
多点温度采集系统主要由主机控制系统和分别设置在室内的节点测温装置组成.主机系统包括转换器（实现电力载波数据与485数据的转换功能）与上位机控制软件.通过主机控制系统发送与接收命令,电力线传输数据,节点测温装置执行命令,以此组成整个信息交互网络.系统的总体结构如图1所示.
电力载波通讯即PLC,是英文PowerLineCommunication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.电力线载波通信的工作原理就是把自动化设施中的有效数据通过调制解调器调制后耦合到电力线上,然后经过电力线传输到对端的数据解调器上,再由对端数据解调器把信号解调出来传输给对端自动化设备.因此电力线不仅具有供电的功能还提供了一种信息通信的手段.
在传统有线传输技术中,每当需要新的通讯对象时,都要铺设新的通讯线路,而且铺设新的线路会牵扯到很多方方面面的内容,比如与原有线路是否有冲突,材料的选择等,且由于铺设所带来的成本更是一笔不菲的支出,当以后需要修改线路的时候,又带来大量的成本和时间的浪费.在本系统中,只要有电力线就能实现信号传输,当需要使用的时候,就把载波模块安装在需测温的室内即可,当发现需要更换测量不同房间温度的时候,只要改变载波模块的安装位置即可,十分的方便快捷.本系统不仅抗干扰性强,传输距离远（有效传输距离一千米）,而且在成本上也远远小于无线传输技术.
该硬件主要利用高性能SENS-01电力载波通信模块（PowerlineTransceiver）来进行信息间传输,SENS-01嵌入式电力线载波模块提供半双工通信功能,可以在220V/110V、50/60Hz电力线上实现局域通信.该款产品具有通信速率高,通讯可靠,抗杂波干扰能力强,通讯距离远等特点,是专门为适应中国国内电力线应用环境而研发的高性能电力线载波通讯产品.本电力线通信模块内含各个复杂电路（如图2所示）,只需连接电力线即可.
过零检测电路
在此模块中,主要是采用三极管驱动发光二极管,同时在接收端加上拉电阻进行过零检测,来判断信号相位,与检波电路一起实现过零信号接收功能.该电路采用了光耦过零检测电路（如图3所示）,使后面电路不直接接触220V电,最大程度保证后面电路与用户的安全性.
调制输出电路
当数据需要通过电力线传输出去时,通过调制输出电路（如图4所示）,将信号耦合到电力线上.在本模块中,采用互补推挽放大器来增强驱动能力,提供大电流.Q3管接入Q2管和Q4管的基极,以此作为推动信号,由于两只三极管的极性不同,基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置,一个是反向偏置.当输入信号为正半周时,两管基极同时电压升高,此时输入信号电压给Q4管加上正向偏置电压,所以该管进入导通和放大状态.由于基极电压升高,对Q2管来讲加上反向偏置电压,所以该管处于截止状态.输入信号变化到负半周后,刚好处于相反状态.两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号.再经过一个电容滤掉直流成分和限幅稳压管稳定电压,即可通过变压器接入电力线上.
检波输入电路
在本模块中,主要采取290k检波电路（如图5所示）,来实现从电力线中不失真地检出调制信号（如图6所示）.当信号经过变压器降压后,接入检波电路,实现信号解调的作用,再经过两个稳压二极管,实现限幅的作用,防止过电压通入载波模块的I/O口.在图6中可看到当接入信号源后,在输出端口,获得了290kHz的检波频率.
系统软件框架
软件系统框架设计
本系统由上位机软件系统,转换器控制系统与节点控制系统构成.其中以上位机软件系统为核心.多个节点控制器通过电力线与上位机系统进行数据间交互传输.其中转换器控制系统与上位机的数据交互通过串口采用Modbus协议进行安全性传输,在保证数据传输可靠性的同时方便用户根据自己的需求自行上位机软件.各个分机根据自己的站号来回应主机的查询信息.上位机主要工作是对各个分机控制器的状态信息进行综合分析,处理和显示等工作.工作原理如图7所示.
上位机软件系统
此系统主要采用VB编写上位机软件,内嵌Modbus传输协议,自行编写入机交互软件,在确保系统稳定的前提下,精简代码,设定算法,防止数据的丢失与处理,提高了系统的安全性.
在本系统中,主要使用了01（读线圈）,03（读保持寄存器）,05（写单个线圈）功能码,其中域名指的就是每一台机号,每一次数据包将以20个字节发送,数据不足20,系统自动补0.
例如：（1）读取分机05的继电器01状态（1等于ON,0等于OFF）,假设为OFF即为关的状态.当需要读取分机上多个继电器状态时,只需修改输出数量的大小即可.当分机收到数据后,查询本机的继电器状态,再将信息发还给主机,完成这次主机的请求命令.其示例功能码如表1所示.（2）读取分机05的寄存器01-02（即测量温度和湿度）,假设分别为28.5°,50.7H.分机控制器会将测得温度的整数部分放在寄存器高位：将其小数部分放在寄存器低位.对湿度也是同样的操作,在整个系统中温度的单位是摄氏度,湿度的单位是相对湿度.当主机接收到数据后,即对其进行反操作,即能获得测量值.其示例功能码如表2所示.
（3）命令分机05打开继电器01（以十六进制FF00代表ON,十六进制0000代表OFF）.分机相应命令的域名应为当前分机的分机号,使该数据只能被转换机接收.其示例功能码如表3所示.
上位机软件内包含信号的发送和信号的接收处理.其功能主要是两路单独的电力载波查询,以及一路定时自动查询节点的状态.当发送一次命令,在200ms内没有收到回复命令,则软件将自动重新再发送一次命令,如果还是没有回复,则在用户界面上提示该与节点通信出现故障.当通信正常,主机可采集节点上所测得的温湿度,并在上位机界面上显示.
用户界面如图8所示.
转换器和节点控制器软件设计
转换器的功能主要包括实现与上位机485通信,将上位机的查询信息耦合到电力线上,同时也将接收来自电力线上的数据,采用Modbus协议的形式通过485传输到上位机上进行数据的综合处理.
节点控制器的功能为辅助测温装置检测室内温度,并响应主机的查询控制命令,执行相应的命令操作.
本软件设计采用的是一呼一答的通讯形式,即每个节点皆有属于自己的机号,每次主机同时呼叫所有电力线上的节点控制器,但只有符合呼叫机号的分机才会响应该次呼叫.转换器和节点间通过电力线进行数据的交互.其转换器的软件流程图如图9所不.
结束语
在系统设计中,考虑了现场遇到的各种实际情况,并且对系统进行相应的设计和完善,系统完成了温度数据采集的基本功能.同时,利用电力线信号传输载体,不必对现场重新布线和规划,同时也克服了无线传输信号不稳定的弊端,系统安装简单方便,易于大范围推广.同时,该系统迎合了关于节能减排的政策要求,具有良好的市场前景和使用价值.克服传统低压电力线通信方式的缺点,根据测试结果,现场应用效果基本达到通信要求.同时现有系统上有较多的模块集成,可充分利用现有的技术和资源,增加新功能.本系统对于在低压电力线上进行数据通信是一种有益的探索和有较好效果的新技术应用.对于今后基于系统基本通信功能上的其他更多功能的扩展设计应用,有一定的参考价值.