電力線載波通信的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了基于電力線載波通信的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并給出了基于ARM7的控制器電路圖，包括電力線載波通信、CO檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、時(shí)鐘、存儲(chǔ)等模塊電路；討論了主／從通信過程、風(fēng)機(jī)控制流程及詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)流程。該設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的總線式智能通風(fēng)控制系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)試維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：電力線通信；誘導(dǎo)通風(fēng)；LPC220O；煙霧檢測(cè)；C0檢測(cè)；PL2102

引言
    誘導(dǎo)通風(fēng)是采用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)噴射出高速氣體，誘導(dǎo)和帶動(dòng)周圍氣體向前運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到空氣流通和換氣的目的。目前，多采用智能型控制系統(tǒng)，布線復(fù)雜，成本高，系統(tǒng)調(diào)試及維護(hù)不便。電力線載波通信具有成本低、調(diào)試維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)。

1 電力線通信誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    電力線通信誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由多個(gè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制器組成，控制器之間采用電力線通信，每個(gè)控制器都具有檢測(cè)周邊空氣質(zhì)量狀況(煙霧檢測(cè)、CO檢測(cè))的功能，并能夠根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制一臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)工作。控制器分主／從控制器，主控制器在完成本身所帶誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制的同時(shí)，要獲取各從控制節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，并控制從控制器工作。從控制控制器根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制自身所帶誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)工作，同時(shí)向主控制器匯報(bào)當(dāng)前工作狀態(tài)并受到主控制器控制，當(dāng)自身控制與主控制器控制命令發(fā)生沖突時(shí)，以主控制器控制命令為準(zhǔn)，例如自身需要開啟風(fēng)機(jī)，而控制命令需要關(guān)閉風(fēng)機(jī)，則控制關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

2 電力線通信誘導(dǎo)通風(fēng)控制器硬件設(shè)計(jì)
2．1 誘導(dǎo)通風(fēng)控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖
    電力線通信誘導(dǎo)控制器硬件結(jié)構(gòu)分為煙霧檢測(cè)、CO檢測(cè)、電力線載波通信、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制、電源單元、時(shí)鐘單元、存儲(chǔ)單元、看門狗復(fù)位及鍵盤顯示等功能單元，如圖2所示。鍵盤主要進(jìn)行系統(tǒng)控制參數(shù)(如CO濃度閾值、主／從節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、風(fēng)機(jī)起／停延時(shí)等)設(shè)定及時(shí)鐘校準(zhǔn)，顯示單元可以指示用戶參數(shù)設(shè)定過程，并顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，便于系統(tǒng)的安裝調(diào)試及維護(hù)。參數(shù)設(shè)定后，將參數(shù)寫入存儲(chǔ)器中，控制器開始進(jìn)行煙霧檢測(cè)、CO檢測(cè)、誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制等工作；主控制器需要定時(shí)查詢各從控制器工作狀態(tài)，并控制從控制器工作。

    由于誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)工作環(huán)境(如車庫)內(nèi)供氧不充分，如果發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，在火災(zāi)初期為陰燃狀態(tài)，若此時(shí)開啟誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，會(huì)助燃為明火，因此控制器有必要進(jìn)行煙霧檢測(cè)(檢測(cè)陰燃狀態(tài))，避免誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)誤動(dòng)作造成重大損失，在檢測(cè)到火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并停止所有風(fēng)機(jī)。C0檢測(cè)用于衡定區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，檢測(cè)到CO超標(biāo)時(shí)開啟誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)工作，保證通風(fēng)換氣效果?？刂破魍ㄟ^電力線載波通信單元實(shí)現(xiàn)與其他控制器的數(shù)據(jù)傳輸和信息交互。由于控制器工作環(huán)境復(fù)雜、工作過程無人值守，看門狗復(fù)位單元可以有效避免系統(tǒng)工作過程中發(fā)生死機(jī)和程序跑飛現(xiàn)象。
2．2 誘導(dǎo)通風(fēng)控制器硬件電路圖
    誘導(dǎo)通風(fēng)控制處理器采用32位ARM微控制器LPC2200，該處理器基于ARM7TDMI-S體系結(jié)構(gòu)，處理器時(shí)鐘頻率高達(dá)60 MHz，片內(nèi)集成高速Fl-ash存儲(chǔ)器及豐富的外設(shè)部件(如外部中斷、A／D轉(zhuǎn)換、LCD控制器等)；處理器自帶的10位A／D轉(zhuǎn)換，可以保證C0檢測(cè)、煙霧檢測(cè)中數(shù)據(jù)采集的需要；處理器自帶看門狗寄存器，在運(yùn)行中如果沒有周期性的重裝，寄存器溢出時(shí)將產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位。時(shí)鐘單元采用時(shí)鐘芯片SD2405AP，該芯片內(nèi)置晶振、充電電池、具有標(biāo)準(zhǔn)I2C接口，可方便地掛接在LPC2200的I2C接口上，芯片內(nèi)部具有年、月、日、時(shí)、分、秒寄存器，可以滿足誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)定時(shí)、延時(shí)啟／?？刂啤O及煙霧的定時(shí)檢測(cè)要求，電力線通信誘導(dǎo)通風(fēng)控制器電路圖如圖3所示。其中CAT24WC02是串行EEPRO-M，SP708S是微處理器監(jiān)控器件。

    電力線載波通信采用電力線專用半雙工異步調(diào)制解調(diào)器PL2102。如圖3所示，芯片在使用中需要加入必要外圍電路。外圍電路主要包括發(fā)送功率放大電路、濾波整形電路、載波耦合電路、濾波接收電路。功率放大電路將PL2102輸出的載波調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大并濾掉信號(hào)中的噪聲和偽信號(hào)。接收濾波及功率放大電路如圖4所示，輸出信號(hào)PSK_OUT經(jīng)Q1、Q2、Q3、Q4組成的功率放大電路后，通過C1、L2濾波整型后加到耦合線圈上，通過耦合線圈發(fā)送到電力線。接收電路中D1用于箝位，防止過大浪涌電流，C2、C3和L1構(gòu)成并聯(lián)諧振，具有對(duì)120 kHz信號(hào)選頻作用，提高接收信號(hào)的靈敏度。

    煙霧檢測(cè)信號(hào)放大電路如圖5所示。煙霧檢測(cè)采用一對(duì)紅外發(fā)射／接收管，并且安裝在暗室內(nèi)，兩管成鈍角處于相對(duì)狀態(tài)。當(dāng)需要進(jìn)行煙霧檢測(cè)時(shí)，通過PO．6口開啟紅外線發(fā)射管。如果沒有發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情(無煙霧)，紅外光不能到達(dá)紅外接收管；當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情(有煙霧)時(shí)，紅外光在煙霧顆粒表面產(chǎn)生漫反射和折射而進(jìn)入紅外接收管，煙霧越大紅外光漫反射及折射越強(qiáng)，紅外光接收管信號(hào)越強(qiáng)。紅外接收管接收到的微弱信號(hào)經(jīng)TLC27L2兩級(jí)放大后送入到LPC2200進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，控制器通過A／D轉(zhuǎn)換值的大小來判斷是否需要進(jìn)行火災(zāi)聲光報(bào)警及關(guān)斷風(fēng)機(jī)操作。

    C0檢測(cè)采用電化學(xué)元件ME3-CO，該元件得到與C0氣體濃度成正比的微弱電流信號(hào)，該信號(hào)必須進(jìn)行放大后才能進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，信號(hào)調(diào)理電路如圖6所示。調(diào)理電路運(yùn)算放大器采用AD8572，其中UA、R5～R7、C1構(gòu)成恒定電位電路，使得C、R兩極及與W極之間電位保持一定；UB、R1～R4、C2構(gòu)成信號(hào)放大電路，用來檢測(cè)CO傳感器中氣體電解時(shí)產(chǎn)生的電流，把傳感器的微弱信號(hào)加以放大，并且具有低通濾波功能，可以濾除檢測(cè)信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)。放大后的檢測(cè)信號(hào)輸入到LPC2200進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，控制器通過A／D轉(zhuǎn)換值的大小來判斷當(dāng)前區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量流通情況，并對(duì)風(fēng)機(jī)加以控制。

3 電力線通信誘導(dǎo)通風(fēng)控制器軟
3．1 控制器誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制流程
    控制器在上電后，首先要對(duì)相關(guān)軟件模塊進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘芯片、LCD顯示、A／D轉(zhuǎn)換、外部中斷、看門狗復(fù)位等；初始化完成后，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，并將參數(shù)寫入到I2C存儲(chǔ)器中加以保存，需要設(shè)定的參數(shù)如表1所列。

    控制器對(duì)煙霧及C0進(jìn)行檢測(cè)，若煙霧檢測(cè)值超過了預(yù)設(shè)值(煙霧閾值通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定后固定在程序中)，控制器發(fā)出聲光報(bào)警，并設(shè)置火警標(biāo)志位，由主控制器停止所有風(fēng)機(jī)，從“火警狀態(tài)”中恢復(fù)過來的延時(shí)長短由“火警后系統(tǒng)重啟延時(shí)”參數(shù)決定。主控制器間隔5s查詢各從控制器工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到某區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，控制停止所有風(fēng)機(jī)，從控制器修改當(dāng)前工作狀態(tài)?？刂破鲗?duì)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的程序控制流程如圖7所示?？刂破髟诠ぷ髦酗@示風(fēng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)、煙霧及CO檢測(cè)值、是否出現(xiàn)火災(zāi)、是否CO超標(biāo)、系統(tǒng)工作狀態(tài)(各主要部件工作狀態(tài)，如時(shí)鐘芯片操作、A／D轉(zhuǎn)換、通信)等信息。

3．2 電力線載波通信程序流程
    系統(tǒng)中主控制器與從控制器之間采用主／從通信，通信過程由主控制器發(fā)起，主控制器發(fā)送報(bào)分為“狀態(tài)查詢報(bào)”、“控制報(bào)”，從控制器接收到主控制器數(shù)據(jù)報(bào)后，需回以應(yīng)答報(bào)?？紤]軟件設(shè)計(jì)的方便，發(fā)送報(bào)和應(yīng)答報(bào)采用相同的報(bào)文格式，報(bào)文格式如下所示：

    報(bào)文格式中，40個(gè)“1”用于使接收端與發(fā)送端偽碼隨機(jī)碼產(chǎn)生同步，幀頭序列固定為0x09AF；源地址為發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)節(jié)點(diǎn)地址，目標(biāo)地址是該數(shù)據(jù)報(bào)需要送達(dá)的節(jié)點(diǎn)地址；數(shù)據(jù)為該數(shù)據(jù)報(bào)所要傳輸?shù)男畔?，占l字節(jié)，高4位為報(bào)類型，低4位為數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)域格式如表2所列；CRC16為源地址、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)值。

    載波通信程序采用中斷方式，分發(fā)送和接收兩部分，中斷信號(hào)由PL2102同步脈沖輸出引腳(HEAD)產(chǎn)生，載波通信接收、發(fā)送程序如圖8所示。

結(jié)語
    基于電力線通信的誘導(dǎo)通風(fēng)控制系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)上采用專用電力線載波通信芯片，信號(hào)發(fā)送和接收分別應(yīng)用了功率放大及接收濾波電路，軟件上采用了數(shù)據(jù)校驗(yàn)CRC16，保證通信的可靠性。該設(shè)計(jì)方案具有系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)試維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。