电力线载波通讯多媒体实验楼设备控制系统

摘要：在设备管理系统中，电力线载波是最直接最经济的通信媒介。文章运用载波通讯芯片MI200E，以电力线载波为媒介，结合G24通讯模块、GPRS模块及蓝牙模块，设计出一种可靠的、便于实现的多媒体设备控制系统。平台软件采用B/S结构开发，方便手机APP软件的开发，提高系统的可维护性和扩展性。通过软硬件结合的方式，实现了各种用电设备的远程检测和管理，达到节能和减轻管理成本目的。

关键词：PLC通信网络 互动终端 MI200E

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）03-0000-00

随着学校的发展，办学规模日益扩大，新专业的增设，越来越多的不同学科实验室及多媒体教室的增加，如何有效管理，合理利用电能资源，杜绝电能浪费，成为摆在眼前迫切需要解决的问题。传统的多媒体控制系统都是基于局域网通讯，重新布线费用较高，而且如果实验楼已经开始使用，施工起来也很不方便，硬件控制集成系统现阶段价格也比较贵，对学校来说也是一笔不小开支。结合日常实际工作需求开发出一种基于电力线载波通讯的多媒体实验室设备管理系统，其中涉及到的部分技术以及设备均申请国家专利（无线数据传输网络及其中的传输设备传输数据帧的装置（载波集中器）专利号：201410208686.3、具有电力线载波通信接入的互动终端（互动终端） 专利号：ZL 2012 2 0279723.6），经投入使用，效果良好。

1 项目研发背景及主要功能

电力线是每个家庭、单位最为普及、覆盖范围最广的一种物理通信媒介。电力线网络的主要功能是输送电能，但是，随着信息技术的发展，基于电力线载波通信（Power Line Communication，简称PLC），利用电力线进行数据通信，传递各种信息， 不仅提供了实用的新兴通信手段，而且具有现有物理链路、不占用无线频道资源、易维护、易推广、易使用、低成本、解决用户端“最后100米”的通信问题等优点，无疑有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

本项目主要研发内容：基于研发高性能PLC通信、控制设备（载波集中器、载波用电采集器、载波控制器、互动终端、智能插座等），构建实用型PLC通信网络；利用GPRS无线通道，把PLC通信网络和计算机网络对接，最终形成一个完整的无需重新布线的数据通信网络。

1.1 项目主要功能

使用该套系统，能实现在局域网内计算机通过安装配套服务端软件实现定时开关计算机，对投影机实现软开关，有效提升了工作效率，最重要的是通过对投影机的关机及延时断电，提高了投影机灯泡寿命（投影机关机后，如果马上断电，投影机散热系统停止工作，严重影响投影机灯泡寿命。），对多媒体教室空调、音响系统及照明系统进行控制，同时还能实时查看各教室设备使用情况（是否正常工作），及对实验室示波器、电路实验集成实验台等设备进行断电控制。该系统通过电力线载波控制技术，利用现有的电力线实现对设备的控制，降低了布线成本，还可以根据功课表安排，实现智能定时开启和关闭实验室多媒体设备，夏天空调预冷，给学生创造舒适的上课环境。课间通过大楼闭路查看各个多媒体教室及实验室情况，遇到临时停课或者调课，手动调整关闭实验室设备，做到节能减排，大大减少了设备管理人员的工作量，下来还可以通过实验室大门改造，结合自动门禁系统，基本可以做到无人值守。

1.2 项目结构图

如图1所示。

图1项目结构图

1.3 项目设备安装说明

服务器安装在集中器附近，安装数据库并且搭建网站连上学校局域网，其他电脑可以通过局域网登陆服务器上的网站进行操作。

集中器安装在大楼中间总线附近，通过GPRS与服务器通信。

互动终端安装在多媒体教室中，通过电力线载波与集中器通信，如果集中器与互动终端距离太远时根据实际情况使用中继器放大信号。

控制器安装在被控设备前面连接电源，被控设备通过控制器接通电源。控制器通过2.4G无线模块与互动终端通信，一个互动终端最多连接8个控制器，如果需要超过8个控制器时可以适当的增加互动终端解决。控制器还可以电流传感器监测被控设备是否启动，并将被控设备的用电状态返回服务器。

操作员使用计算机或手机通过局域网登陆服务器上的网站，根据网站提示对某个被控设备发出指令，服务器根据操作员的操作生成指令通过集中器发送到目标所属互动终端，目标所属互动终端再向目标控制器发送指令，控制器接到指令后根据指令内容做出相应操作，或者手机端操作软件在教室内直接利用蓝牙功能对互动终端发出相应操作指令。

2 技术要点及开发流程

项目研发过程以电力线载波通信为重点，深入研究PLC通信网络的网关、中继、路由等技术的实现方法，并通过试验数据分析，建立PLC通信网络模型，开发相关集中器、用电采集器、智能互动终端、载波控制器、智能插座等载波通信设备和软件。在借鉴和研究国内外现有产品的基础上，根据学校需求，开发样品。经过测试，试运行，市场拓展，从而实现产业化。

2.1 项目基本框架

项目研发任务分工为：项目设备软硬件研发、PLC通信网络构建、数据库设计、平台中间件、GPRS收发软件、手机操作软件、软件控制系统等软件开发和监控、软件平台开发。

（1）基于电力线载波通信技术，将智能互动终端或载波控制器、用电采集器、集中器组成一个电力线载波通信网络，通信规约遵循DL/T 645-1997的要求，与广东电网公司配变监测计量终端具有基本相同的规约格式和数据项编码。集中器为PLC网络的通信基站，负责与平台中间件通信，对接收数据包进行安全过滤和重定向发送，不对规约数据域进行任何解释。

（2）以智能互动终端为网关，通过无线数字通信技术实现智能控制。

（3）项目设备采用工业级ARM 的32位嵌入式微处理器和嵌入式C+操作系统进行研发，具有处理速度快、性能稳定、功耗低等特点，支持64M数据存储器和512K程序存储器，具有存储量大，数据保存时间长，支持在线下载和系统升级。实现项目设备数据通信、中继功能、路由功能、数据管理等复杂功能要求。

（4）采用GPRS通信技术实现本项目PLC网络与平台通信，GPRS收发软件为PLC网络与平台通信的桥梁，只负责对通道数据包进行安全过滤和重定向发送，不对规约数据域进行任何解释。

（5）通过标准接口，实现平台与相关系统通信并保障数据安全。

（6）通过RS485通信技术，实现采集器与数字电表通信。

（7）通过互动终端、互动网站、手机短信实现平台与用户互动。

（8）平台软件体系结构采用三层C/S结构，表示层、功能层、数据层分层进行安全管理，多层安全防线构成严密的安全管理机制。

（9）系统软件采用ORACLE数据库与可视编程开发语言开发设计。

（10）手机软件由手机客户端操作软件和GPRS接收软件组成，项目将开发iPhone 苹果版本、android版本，供不同智能手机用户使用。

2.2 电力线载波通信设计

配电变压器对载波信号有隔离作用，分布在不同台区的用电采集器、互动终端、载波控制器不能通过PLC通信，每个台区至少必须有一台集中器，集中器与同一台区的互动终端群集或载波控制器群集、用电采集器群集构成一个独立的PLC局域网。项目在电力线通信方面，把软件网关、自动路由、软件中继等技术融入设计进电力载波通信中，克服电力线通信缺点，提高PLC局域网通信质量：

（1）根据电力线不同相位之间PLC信号存在干扰、衰减的特点，PLC信号一般只能在单相电力线上传输，通信距离很近时，不同相间可能收到信号。以用电采集器为网关，把PLC网络分割为一个主干PLC网络（集中器――多台用电采集器、载波控制器）和多个分支PLC网络（一台采集器――多个智能互动终端）。隔离智能互动终端与主干PLC网络的直接通信，增加PLC信道传输资源，缩短网络线路距离，增长载波通信距离。

（2）主干PLC网络在电力线三相上，采用三种不同频率进行信号调制/解调。增加PLC信道传输资源，实现低速率和高传输次数的高效率，提高主干PLC网络载波通信的抗干扰能力和并发吞吐量。

（3）项目通信规约支持16级软件中继，缩短网络线路距离，增长载波通信距离，解决主干PLC网络的通信距离。

（4）用电采集器支持自动路由功能，使数据包获得最佳传输路径，提高载波通信抗干扰、衰减、回波、叠加的能力。

（5）分支PLC网络采用独立三块载波模块载波通信（不采用三相耦合技术），增加PLC信道传输资源，同时利用芯片（具有自动变频功能的电力载波通信专用芯片）对付低压电力线信道中的时变干扰及时变频率响应，实现数据的可靠接收。

（6）分支PLC网络解决楼宇内采集器与互动终端的通信距离。

（7）载波控制器内置电流互动器，采集器受控用电设备的实时用电数据，实现对用电设备的能耗计算。

2.3 互动终端

具有电力线载波通信接入的互动终端，包括：电力线载波通信模块、单片机处理模块、联网模块、用户交互模块。

电力线载波通信模块与电力线相连，利用电力线传输数据，实现智能教室的接入，使互动终端成为智能教室网络节点；电力线载波通信模块，采用电力线载波通信芯片设计，对载波信号进行调制和解调，所述的电力线载波通信芯片采用MI200E芯片。单片机处理模块由单片机控制电路构成，单片机处理模块分别与电力线载波通信模块、联网模块、用户交互模块进行通信，单片机处理模块设有智能教室功能软件，对与互动终端进行交互的指令进行分析和处理，实现智能教室的功能，指令可以是用电安全、用电设备监控、用电信息等，是服务于智能教室的信息指令。用户交互模块包括显示单元、输入控制单元和存储单元，为用户提供经济、实用的人机交互界面。联网模块包括蓝牙通信模块和G24无线通信模块，G24无线通信模块用于与设备控制器连接，对用电设备进行智能监控；蓝牙通信模块用于与智能手机或平板电脑连接，实现把智能手机或平板电脑虚拟为互动终端的交互设备，提高交互的方便性和可视效果，智能手机或平板电脑，运行智能教室功能软件，利用蓝牙通信接口与互动终端进行通信。互动终端设置于教室中，利用电力线载波通信模块通过电力线与集中器相连，进行电力线载波通信，实现智能教室的接入，使互动终端成为设备管理系统的网络节点。载波集中器用于与计算机互联网网络通信，如果中间距离过远（视通讯信号衰减程度），应加入中继器，这样构成一个智能实验楼设备控制网络：计算机与载波集中器通过GPRS通信、载波中继器与载波集中器通过电力线通信，智能手机可以通过蓝牙模块与互动终端通讯，或者通过连接互联网接入服务器。用户可以通过互动终端、智能手机、互联网三种方式进行智能管理系统交互。

图2 互动终端载波通信模块原理图

如图2所示，电力线载波通信模块采用MI200E芯片进行设计，MI200E是一款专门针对低压电力线进行优化设计的高集成度、高性能的电力线载波通讯芯片， 是一个可工作于码分多址（CDMA）方式的半双工调制解调芯片。MI200E 的各项物理指标均满足EN50065-1 以及IEC61000-3-8 的标准要求。MI200E通过一个SPI（Serial Peripheral Interface） 接口实现与所述的单片机处理模块进行数据交换。

图3 单片机处理模块

如图3所示，单片机和MI200E数据交换工作原理：MI200E 设有多个8 位指令寄存器，经过串行数据输入信号来访问，在串行时钟的上升沿输入数据，整个操作期间片选信号引脚必须置低电平，片选信号置低电平后，在时钟的第一个上升沿采样输入数据，片选信号是静态的，允许复位操作。在读指令周期内，数据通过串行数据输出引脚在串行时钟的下降沿移出。所有的操作码、字节地址、数据通过串行数据输入引脚写入寄存器，串行数据在时钟的上升沿被锁存。串行时钟控制串行总线上的数据输入输出时序。出现在串行数据输入管脚上的操作码、地址或数据在时钟的上升沿被锁存，而串行数据输出引脚上的数据则是在时钟的下降沿变化。当帧头被正确接收到时，帧指示引脚输出低有效电平，引发单片机中断，单片机可以读取数据。MI200E的发送、接收均采用差分方式，通过内置的数字功率放大器和信号耦合电路，在电力线上接收或发送信号，信号调制采用的是复杂正交调制原理，该原理应用在信号衰减变化剧烈的电力线信道有极优越的表现。MI200E的内置过零检测功能，结合外围电路，可以提高信号发送功率，整流电路为载波通信模块工作提供电源。

图4蓝牙通信模块

如图4所示，蓝牙通信模块工作原理，蓝牙串口数据输出与单片串行输出连接，蓝牙串口数据输入与单片机的串行输入连接，蓝牙中断指示引脚与单片机的中断连接，蓝牙串行通信主从设置引脚，置低为从模式，置高电平3.3V为主模式。这样蓝牙通信模块的数据输入和输出转换成单片机的数据输入和输出，蓝牙通信模块为全双工通信方式，该模块主要用于互动终端与带有蓝牙通信接口的智能手机或平板电脑，进行短距离的数据无线传输。

图5 G24无线通信模块

如图5所示，G24无线通信模块工作原理，G24无线通信模块串口数据输出与单片串行输出连接，G24无线通信模块串口数据输入与单片机的串行输入连接，G24无线通信模块为半双工通信方式，设置为主模式，通信的协调完全由单片机控制，单片机采用带地址码的数据帧发送数据或命令，从站正常工作时默认在数据接收状态，全部从站都接收，并将接收到的地址码本地地址码比较，不同则将数据全部丢掉，不做任何响应；地址码相同，则证明数据是给本地的，从站根据传过来的数据或命令进行不同的响应，将响应的数据发送回去，所述的从站是指设有G24无线通信模块的设备控制器或智能开关。

3 结语

该设计方案具有结构简单、施工方便、成本低、工作方式灵活可靠、抗干扰能力强、通讯距离长等特点。通过使用该系统能达到节能目标，并大大优化多媒体大楼的管理，减少管理人员压力。

参考文献

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收稿日期：2016-01-11

作者简介：李嘉鸿（1980—），男，广东汕头人，计算机专业讲师，研究方向：计算机应用专业。

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