基于电力载波通信的物联网环境感知模块与协调器的设计大学学位论文.docx

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基于电力载波通信的物联网环境感知模块与协调器的设计大学学位论文

毕业论文

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基于电力载波通信的物联网环境感知

模块与协调器的设计

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摘要

本文在大量设计实践基础上提出了一种基于电力载波技术的物联网环境感知与协调器的设计方案。

该方案采用ARM、PIC系列单片机，分别设计了协调器、感知模块和执行模块。

协调器可通过液晶显示屏上的控制按钮发送控制信息，执行模块和感知模块接收这些信息，实现对本地环境的监控以及对执行模块的控制。

该系统采用先进的电力载波通讯技术，无需复杂繁琐的布线，只需将感知模块、执行模块、协调器接在同一电力线上，各模块就通过特定的通信协议进行互联、通信，轻松实现房间灯光、电动窗帘、电视系统、空调系统等系统集中控制。

并能够实时监测房间温度、湿度、光照等，对节约能源、降低费用、室内环境检测起到了积极的作用，是一种基于电力载波通信组成的网络控制系统。

本文重点介绍了该系统的设计方案和电路硬件与软件的详细设计过程，并对该系统的性能与优点进行了充分讨论。

关键词：

电力载波；物联网；协调器；PIC单片机；ARM；

Abstract

Inthispaperthedesignpracticeofbasedonitbringforwardacarriertechnologybasedonthepowerofnetworkingenvironmentthatperceptionandcoordinatordesignscheme.TheschemeadoptstheARM,thePICmicrocontrollerseries,respectively,thecoordinator,perceptiondesignmoduleandexecutemodule.CoordinatorcanthroughtheLCDscreencontrolbuttonsendcontrolinformation,executivemoduleandperceptionmoduletoreceivetheseinformation,andtorealizethelocalenvironmentmonitorandcontrolforimplementationofthemodule.

Thesystemadoptstheadvancedelectricpowercarriercommunicationtechnology,neednotcomplextediouswiring,onlywillperceivemodule,executivemodule,coordinatortakenupinthesamefieldlines,eachmoduleisthroughthespecificcommunicationprotocolsoftheInternet,communication,easilyrealizeroomlight,electriccurtains,TVsystem,airconditioningsystemcentralizedcontrolsystem.Andtoreal-timemonitoringroomtemperature,humidity,light,etc,tosaveenergyandreducecost,indoorenvironmentdetectsthehaveapositiverole,isacarriercommunicationbasedonelectricpowernetworkcomposedofcontrolsystem.Thispaperintroducesthedesignschemeandcircuithardwareandsoftwaredesignofthedetailedprocess,andthesystemperformanceandtheadvantagesofthefulldiscussion.

Keywords:

Powercarrier;Contentnetworking;Coordinator;PICmicrocontroller;ARM；

1引言

1.1物联网的定义

物联网（InternetofThings，IOT）概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，目前业界并没有明确统一的定义。

中国通信标准化协会泛在网工作组定义的物联网是指通过部署具有一定感知、计算、执行和通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息，通过网络实现信息的传输、协同和处理，从而实现人与物、物与物之间信息交换的互联的网络。

1.2我国物联网的技术现状分析

物联网的关键技术涉及面很广，感知/延伸层主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，核心技术包括传感技术、识别技术、信息处理技术、标识技术等。

目前，网络层实现信息的高可靠性、安全性地传送，关键技术包括电信网增强技术、下一代移动通信网\互联网技术等。

应用层是通过各种应用平台实现海量信息处理和共享，关键技术包括SOA、云计算、软件、支撑平台、中间件等。

我国统一的SOA标准体系还未形成，云计算技术也处于初期阶段，应用层软件、海量信息处理需要进一步技术攻关。

传感技术处于起步阶段，识别技术相对较为成熟，开始步入发展期。

我国RFID企业大都是中小型企业，技术研发水平还比较薄弱，感知/延伸层的数据收集、识别技术仍有待突破。

1.3研究内容及目的

整体看，我国物联网的网络层技术相对成熟，感知/延伸层和应用层技术仍在研究发展之中，尚未形成成熟的技术体系。

并且当前市场上隶属于感知/延伸层的模块不是很多，其中基于Zigbee的无线通信技术的感知模块其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。

适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

但其致命缺点是给模块供电存在严重问题。

由蓝牙无线电技术组成的感知模块其特点是低功耗，小体积以及低成本。

存在的缺点是模块与模块通信距离受到限制（10米），仅限于短距离。

通过上述几种通信方式的比较，本系统采用先进的电力载波通讯技术，无需复杂繁琐的布线，只需将感知模块、执行模块和协调器接在同一电力线上就可互联、通信，轻松解决供电、传输距离等问题。

可实现房间灯光、电动窗帘、电视系统、空调系统等系统集中控制，能够实时监测房间温度、湿度、光照等，对节约能源、降低费用、室内环境检测起到了积极的作用，是一种基于电力载波通信组成的网络控制系统，便于形成成熟的技术体系，可推广。

2电力载波通讯技术综述

2.1电力载波技术概述

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。

最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。

电力载波通信是在工频为50Hz的电力输电线路上传输的一种载波通信。

根据所使用的耦合方式的不同，分为相地结合和相相结合高频通道。

通信所采用有载波通信为相地结合的高频通道、保护专用载波收发信机通常采用相相结合的高频通道。

电力载波通信的传输频带一般为40-500kHz。

载波通信是有线长途通信中应用十分广泛的一种通信方式。

它是根据频率斑移、频率分割原理，将原始信号对载波进行一次或多次调制，搬移到不同的线路传赖频带，然后送到线路上转输，从而实现多路通信的一种通信方式。

载波通信不仅可用来实现多路电话通信，而且还可以二次复用，在一个或若干个话路上开放载波电报、广播节目、电视、传真、传掐数据和实时遥控、送信、遥测信号等。

2.2电力载波通讯技术及其应用现状

电力线载波通信技术（PowerLineCarrierCommunication—PLCC）是利用电力线网作为传输媒介,将载有信息的高频信号加载到电力线上,用电力线进行数据传输,通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来,传送到终端设备。

数十年来,国内电力线载波通信技术基本上用在电力行业内部,其研究内容为低速的电力线载波通信技术,它用来传输电网调度管理所需的远动信息及低速率的电力线载波语音通信。

近年来,随着数字电子技术的发展,电力行业传统的电力线载波通信技术己经开始向数字化方向发展。

通过电力线载波技术在低压输电网上传送信号,并将其应用于各种控制系统,现成的电力线即能作为传送控制信号的媒体。

由于其不再需要专门的控制线路或无线网络,相对于传统的有线电缆控制系统,基于电力线载波通信技术的控制系统的硬件成本和施工难度能够大大降低。

正是基于电力载波通信技术的诸多优越性以及市场对其持有较高的认可度，我们设计了这款基于电力载波技术的环境感知与协调器的控制系统，设计分为协调器、感知模块、执行模块，共同构成星状网络结构，实现由点及面的控制方式。

在设计中，考虑到操作的难易程度，我们从控制方式入手，在协调器的液晶屏上显示出控制页面，由用户直接操作页面的控制方式，很大程度上方便用户的使用。

在感知模块和执行模块方面，为了能够方便的嵌入到电器的接口处，我们将其的体积缩减到最小，同时使用自制稳定的开关电源，增强系统的安全性与稳定性。

实现了各模块与协调器的集中化、网络化、智能化控制。

2.3电力载波通信的基本原理和构成方式

一定频率的电信号可以直接进行短距离传输,如需进行长距离传输,可有多种方式如:

微波\光纤\载波,电力载波通信是通过将语音频率频率变换到适合线路传输的较高的频率上传送给对方,对方接收到信号后再经过反变换的方式恢复成语音信号。

所谓频率搬移实质上就是变频。

变频器示意图如下：

图2.1变频器示意图

通常传送上边带（F+f）、下边带（F-f）两个边带和载频分量的方式称为双带制，只传送一个边带，另一个边带与载频被抑制的方式称作单边带抑制载频传输。

目前电力载波机通常采用后一种传送方式。

多次变频：

要将语音信号搬移至40-500kHz的范围内，可进行一次直接调制至高频，也可以将信号进行若干次调制后变换为合适的传输频率，后者有利于抑制无用信号。

载波通信的传输方式：

为实现载波通信系统的双向通信通常采用双频带二线制传输和单频带四线制传输方式。

前者是在同一对导线上，两个传输方向上采用两个不同的传输频带，以区分收信和发信两种不同的信号。

后者是在同两对导线上，两个传输方向上采用相同的传输频带。

双向载波通信原理图：

图2.2双向载波通信原理图

2.4电力载波在应用中的优点和不足

电力线载波是一种利用高压输电线路作为高频信号传输线路的长途通信方式，用于电力调度所与变电所、发电厂之间的通信．是电力系统特有的一种通信方式。

利用高压输电线路传输高频电流具有以下优点：

（1）路衰减小，发信功率的有效利用率高，传输距离长。

（2）电力线路机械强度很高，因而具有较高的传输可靠性。

（3）由于载频被抑制，因此保密性好。

（4）无需单独敷设通信线路，节约成本。

因此，电力线载波对小容量、长距离通信来说，是一种经济可靠的通信方式。

多年来，在电力系统通信网的规划设计中，电力线载波作为电力系统传输信息的基本手段得到了广泛的应用。

但是电力线载波通讯也有以下的缺点：

（1）配