摘要 设计了一种基于电力线载波的环境监控终端设计，使得养殖现场能够通过普遍存在的电力线组成局域网，并且通过WEB服务器与远程控制中心通讯，实现了远程集中控制在中小型养殖场的低成本解决方案。
关键词 电力线载波；环境监控；终端设计；养殖场
中图分类号 TP212 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）19-0343-03
Terminal Design of Environment Monitoring Farms Based on Power Line Communication
YAN Bin 1 JI Yang 2
（1 Taizhou Agriculture Internet of Things Center in Jiangsu Province，Taizhou Jiangsu 225300；2 Institute of Botany，Jiangsu Province and Chinese Academy of Sciences）
Abstract A low-price solution based on the power line communication technique was designed to make the common electricity infrastructure to form the local area network，communicate with remote monitore center and realize the lowcost solution of the remote centralized control in small and medium-sized farms.
Key words power line communication；environment monitoring；terminal design；farms
随着我国农业现代化的不断推进，以及江苏省农业现代化实现路线图的推出，精准农业、精准养殖业等技术手段正在从实验室走向实际生产应用。然而在实际推广高科技养殖手段的进程中，由于现代化改造的高成本、维护的高复杂性等实际因素，使得只有少量大型养殖场能够负担，广大小规模养殖户的养殖环境依然依靠传统的经验，进行粗放式管理，极大地限制了整个社会养殖业的技术革新。因此，低成本、易推广的现代化改造成为了一项重要课题，是我国实现农业、养殖业现代化的关键。
传统的养殖场环境监控体系需要重新部署信号采集线路，随着物联网时代的到来，物联网技术正快速应用于各行各业。物联网的显著特征[1]是使得环境信号在本地传感网以外的更大网络上共享，比如说互联网。一般的解决思路是利用远程接入手段，利用GPRS模块实现数据的上传及访问，但是大量节点的数据流量也增大了使用者的运行成本，在实际推广中接受度不高，且无线传感网受环境影响较为明显，数据的可靠性得不到保证。本文提供了一种基于普通养殖环境中都具备的电力线网络的传感数据采集设计，节省了另外铺设专用通信线路的费用，且无需额外的运营成本，大大提高了在实际推广中的接受程度[2]。
1 设计原理
本设计中的远程环境监控系统由环境信息采集节点、控制终端、上位计算机构成，如图1所示。各部分的通讯联系实现如下：控制终端具有以太网接入功能，在控制终端上运行uIP Web 服务器，通过以太网线连入与上位机进行数据传输，可以通过浏览器访问控制终端的IP地址实现对养殖场环境的监控。控制终端又具有电力线（PLC）通讯能力，能与下级采集节点进行环境信息的通讯。整个系统中控制终端涉及到软硬件的结合，是整个系统工作的主要部分，本文主要讨论该终端的设计问题。
2 控制终端的硬件设计
控制终端是整个系统工作的关键，是联系本地传感网和因特网的纽带。该终端的任务：一是通过电力线传输模块完成对采集节点的信号传输和控制，获得采集节点的各个环境参数，上传给远程计算机。二是管理Web Server的运行，接受远程计算机的命令返回实时数据。三是监控该终端下传感网络的运行情况。
2.1 终端模块化设计
该终端采用模块化设计，主要是由ARM嵌入式微处理器、电力线载波模块、温湿度传感模块等组成。
2.1.1 嵌入式系统控制模块。本设计采用美国德州仪器公司StellarisR6000系列基于ARMR CortexTM-M3 的LM3S6965[3-4]主控芯片，采用100脚封装，核心工作频率50 MHz，支持256kB flash存储器和64 kB SRAM，内置10/100以太网MAC/PHY，SSI/SPI总线接口，2路I2C总线，3路UART串口，4通道高精度10位A/D转换器。
2.1.2 电力线载波模块。本设计采用意法半导体的电力载波芯片ST7540芯片[5]，它采用比ST7538尺寸更小，接脚数更少的28脚封装，集成了单端功率放大器，带有可接入的输入输出线，能外接滤波器网络，提供优异的线性功率性能，提供了更大的设计灵活性，降低了应用的元件数和成本。ST7540内部集成了发送和接受数据的所有功能，通过串口通讯可以方便地与微控制器相连。内部具有电压，电流自动控制功能，只要通过耦合变压器等很少器件就可以直接连接到电力线上。
2.1.3 温湿度一体传感器。本设计采用瑞士Sensirion公司的SHT11温湿度一体传感器[6]，采用I2C总线接口与主控制器相连。温度测量范围：-40.0～+123.8 ℃，湿度测量范围：0～100%RH，具有高精度、响应迅速、抗干扰力强、性价比高等特点。
2.2 硬件电路设计
设计中硬件电路分为3个部分：即电源部分、微控制器及数字模块、PLC电力线载波通信模块及滤波网络（图2）。 2.2.1 电源模块。220 V交流电既是PLC通信载体也是本设计的电源。本设计中微控制器为3.3 V直流供电，ST7540为12 V直流供电。220 V交流电先经过变压器降为15 V，再通过整流桥整流为15 V直流，然后通过LM7812稳压管为ST7540提供稳定的12 V直流电源。由于3.3～12.0 V压降较大，不利于AMS1117-3V3长时间工作，本设计中增加了过渡级5 V稳压输出。电源设计功率为5 W。
2.2.2 微控制器及数字模块。微控制器使用I2C总线与传感器相连，I2C总线中的DATA数据线需要上拉电阻以确保I2C总线协议的正确运行。与载波芯片ST7540的通讯采用UART异步串行口，通讯时序由微控制器设定，减少了同步传输可能带来的时序问题。反应载波情况的载波信号（CD/LP）与过热报警（BU/THERM）分别于微控制器的GPIO口相连。RxTx信号为载波芯片的读写控制信号。微控制器内部集成10/100 以太网MAC和PHY层以及LED显示控制信号，输入及输出以差分信号输出到RJ45接口上。
2.2.3 PLC电力线载波通信模块及滤波网络。ST7540采用12 V单电源同时为内部数字模块及功放模块供电，采用3.3 V数字电路接口电压，无需电平转换可直接与微控制器相连。与主控制器的通讯模式为UART异步串口模式，比特率2 400，电力线载波通信中心频率为132.5 kHz，调制模式为频移键控（FSK），数值“0”和“1”的实际传输频率为131 836 Hz和133 138 Hz。ST7540内部功放输出电压最大峰峰值7.5 V，最大输出电流500 mArms。发送通道滤波器包括主动和被动两部分。主动滤波器由1个简单RC低通网络（截止频率为197.7 kHz）和1个二阶低通滤波器（截止频率为203.6 kHz）组成，对于载波信号的2次，3次谐波有较好的过滤作用。被动滤波器由解耦电容和电感组成。耦合变压器的使用既可以实现强弱电分离，又有利于电力线负载的阻抗匹配。接受通道滤波器由一个电阻串联LC并联谐振器组成。中心频率为130.1 kHz，品质因子Q为2.6。
3 软件设计
本设计中远程环境数据的查询通过登录控制终端的WEB服务器来获得。该WEB服务器采用uIP协议栈[7]。uIP协议栈是一种免费的极小的TCP/IP协议栈，使用C语言编写，去掉了全功能TCP/IP协议栈中不常用的功能，保留了网络通信所必要的协议机制，大大减少了协议代码量，降低了协议对系统资源的要求，uIP的代码量在几千字节左右，仅需几百字节的内存就可顺利运行，适合嵌入式系统中的应用（图3）。
静态页面通过简单的文件系统存储在数据存储器中，用户在上位机中打开浏览器，并输入控制终端的固定IP地址就可以打开存储器中的静态网页。为了将用户的应用程序挂接到uIP 中，必须将宏uIP_APPCALL定义成实际的应用程序函数名，这样每当某个uIP事件发生时， 内核就会调用该应用程序进行处理。uIP在接收到底层传来的数据包后，送到上层应用函数uIP_APPCALL函数处理。在uIP_APPCALL函数中则调用PLC通讯子函数完成1次远程环境数据的更新。更新后的数据则通过uIP_SEND函数发送回上位机，在浏览器中得以显示。
PLC通讯子函数首先初始化主控制器与ST7540的通讯及控制接口，设置串口通讯波特率为2 400，使能串口接收中断。然后设置RxTx为低电平从而使ST7540进入发送状态。发送数据帧首字节为命令字节，用以指示子节点回传不同的温度数据，湿度数据，及自检数据。数据帧第2字节为子节点ID字节，用以指示控制终端希望与之通讯的子节点编号。控制终端发送完数据帧后则进入中断等待状态，接收到子节点回传数据后返回给uIP_APPCALL函数。
所有子节点在上电后都处于等待接受状态。由于共享电力线总线，控制节点数据帧信息将被所有子节点接受，只有与ID字节匹配的子节点会退出接收状态，根据命令字节的内容调用相应的温度或湿度读取子程序，获得当前子节点环境参数。然后子节点上ST7540进入发送模式将自身ID及环境参数发送回控制终端，发送完成后子节点重新进入等待接受状态，避免多个子节点同时占用电力线总线。PLC通讯子函数主要流程如图4。
4 结语
利用ARM单片机，电力线载波模块ST7540以及uIP WEB服务器等组成的基于电力线载波通讯的养殖场环境监控系统，笔者在实验室进行了运行试验，结果表明其具有运行稳定、数据传输安全可靠、部署方便、运营成本低等优点，而且具有很强的网络可扩充性，且由于控制终端上的服务器属性，上位机软件可根据实际需求的不同，采用灵活的实现方式，可实现现场或远程的环境监控以及大范围环境监控的集中控制。基于电力线栽波的环境监控终端设计对于我国中小型养殖场的低成本信息化改造，智能养殖的推广具有很好的借鉴价值。
5 参考文献
[1] 王志良.物联网工程导论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.
[2] 杨刚.电力线通讯技术[M].北京：电子工业出版社，2011.
[3] TEXAS INSTRUMENTS.StellarisR LM3S6965 Microcontroller DATA SHEET[EB/OL].http：//www.ti.com/product/lm3s 6965.
[4] TEXAS INSTRUMENTS.StellarisWareRDriver Library User′s Guide[EB/OL].http：//www.ti.com/product/lm3s6965.
[5] STMICROELECTRONICS.ST7540 FSK power line transceiver[EB/OL].http：//www.stmicroelectronics.com.cn/internet/com/TECHNICAL_RES-OURC-ES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/.
[6] SENSIRION.技术手册SHT1x（SHT10，SHT11，SHT15）[EB/OL].http：//www.sensirion.com.cn/product/downimg/C-Datasheet_SHT1xV5.pdf.
[7] ADAM DUNKELS. uIP0.9 protocol stack[EB/OL].[2003-09-01]（2003-10-07）.http：//www.sics.se/～adam.