电力线载波通信的诱导风机控制系统设计

摘要：提出了基于电力线载波通信的诱导风机控制系统设计方案，并给出了基于ARM7的控制器电路图，包括电力线载波通信、CO检测、烟雾检测、时钟、存储等模块电路；讨论了主／从通信过程、风机控制流程及详细的软件设计流程。该设计方案与传统的总线式智能通风控制系统相比，具有系统构建简单、成本低、调试维护方便的优点。
关键词：电力线通信；诱导通风；LPC220O；烟雾检测；C0检测；PL2102

引言
    诱导通风是采用诱导风机喷射出高速气体，诱导和带动周围气体向前运动，从而达到空气流通和换气的目的。目前，多采用智能型控制系统，布线复杂，成本高，系统调试及维护不便。电力线载波通信具有成本低、调试维护方便的优点，非常适用于诱导通风控制系统。

1 电力线通信诱导通风控制系统总体设计
    电力线通信诱导通风控制系统总体框图如图1所示，系统由多个诱导风机控制器组成，控制器之间采用电力线通信，每个控制器都具有检测周边空气质量状况(烟雾检测、CO检测)的功能，并能够根据检测结果控制一台诱导风机工作。控制器分主／从控制器，主控制器在完成本身所带诱导风机控制的同时，要获取各从控制节点工作状态，并控制从控制器工作。从控制控制器根据检测结果控制自身所带诱导风机工作，同时向主控制器汇报当前工作状态并受到主控制器控制，当自身控制与主控制器控制命令发生冲突时，以主控制器控制命令为准，例如自身需要开启风机，而控制命令需要关闭风机，则控制关闭风机。

2 电力线通信诱导通风控制器硬件设计
2．1 诱导通风控制器硬件结构框图
    电力线通信诱导控制器硬件结构分为烟雾检测、CO检测、电力线载波通信、诱导风机控制、电源单元、时钟单元、存储单元、看门狗复位及键盘显示等功能单元，如图2所示。键盘主要进行系统控制参数(如CO浓度阈值、主／从节点标识、风机起／停延时等)设定及时钟校准，显示单元可以指示用户参数设定过程，并显示系统当前状态，便于系统的安装调试及维护。参数设定后，将参数写入存储器中，控制器开始进行烟雾检测、CO检测、诱导风机控制等工作；主控制器需要定时查询各从控制器工作状态，并控制从控制器工作。

    由于诱导通风控制系统工作环境(如车库)内供氧不充分，如果发现火灾，在火灾初期为阴燃状态，若此时开启诱导风机，会助燃为明火，因此控制器有必要进行烟雾检测(检测阴燃状态)，避免诱导风机误动作造成重大损失，在检测到火灾险情时发出声光报警，并停止所有风机。C0检测用于衡定区域内空气质量状况，检测到CO超标时开启诱导风机工作，保证通风换气效果。控制器通过电力线载波通信单元实现与其他控制器的数据传输和信息交互。由于控制器工作环境复杂、工作过程无人值守，看门狗复位单元可以有效避免系统工作过程中发生死机和程序跑飞现象。
2．2 诱导通风控制器硬件电路图
    诱导通风控制处理器采用32位ARM微控制器LPC2200，该处理器基于ARM7TDMI-S体系结构，处理器时钟频率高达60 MHz，片内集成高速Fl-ash存储器及丰富的外设部件(如外部中断、A／D转换、LCD控制器等)；处理器自带的10位A／D转换，可以保证C0检测、烟雾检测中数据采集的需要；处理器自带看门狗寄存器，在运行中如果没有周期性的重装，寄存器溢出时将产生内部复位。时钟单元采用时钟芯片SD2405AP，该芯片内置晶振、充电电池、具有标准I2C接口，可方便地挂接在LPC2200的I2C接口上，芯片内部具有年、月、日、时、分、秒寄存器，可以满足诱导风机定时、延时启／停控制、CO及烟雾的定时检测要求，电力线通信诱导通风控制器电路图如图3所示。其中CAT24WC02是串行EEPRO-M，SP708S是微处理器监控器件。

    电力线载波通信采用电力线专用半双工异步调制解调器PL2102。如图3所示，芯片在使用中需要加入必要外围电路。外围电路主要包括发送功率放大电路、滤波整形电路、载波耦合电路、滤波接收电路。功率放大电路将PL2102输出的载波调制信号进行功率放大并滤掉信号中的噪声和伪信号。接收滤波及功率放大电路如图4所示，输出信号PSK_OUT经Q1、Q2、Q3、Q4组成的功率放大电路后，通过C1、L2滤波整型后加到耦合线圈上，通过耦合线圈发送到电力线。接收电路中D1用于箝位，防止过大浪涌电流，C2、C3和L1构成并联谐振，具有对120 kHz信号选频作用，提高接收信号的灵敏度。

    烟雾检测信号放大电路如图5所示。烟雾检测采用一对红外发射／接收管，并且安装在暗室内，两管成钝角处于相对状态。当需要进行烟雾检测时，通过PO．6口开启红外线发射管。如果没有发生火灾险情(无烟雾)，红外光不能到达红外接收管；当出现火灾险情(有烟雾)时，红外光在烟雾颗粒表面产生漫反射和折射而进入红外接收管，烟雾越大红外光漫反射及折射越强，红外光接收管信号越强。红外接收管接收到的微弱信号经TLC27L2两级放大后送入到LPC2200进行A／D转换，控制器通过A／D转换值的大小来判断是否需要进行火灾声光报警及关断风机操作。

    C0检测采用电化学元件ME3-CO，该元件得到与C0气体浓度成正比的微弱电流信号，该信号必须进行放大后才能进行A／D转换，信号调理电路如图6所示。调理电路运算放大器采用AD8572，其中UA、R5～R7、C1构成恒定电位电路，使得C、R两极及与W极之间电位保持一定；UB、R1～R4、C2构成信号放大电路，用来检测CO传感器中气体电解时产生的电流，把传感器的微弱信号加以放大，并且具有低通滤波功能，可以滤除检测信号中的高频干扰信号。放大后的检测信号输入到LPC2200进行A／D转换，控制器通过A／D转换值的大小来判断当前区域内空气质量流通情况，并对风机加以控制。

3 电力线通信诱导通风控制器软
3．1 控制器诱导风机控制流程
    控制器在上电后，首先要对相关软件模块进行初始化，包括时钟芯片、LCD显示、A／D转换、外部中断、看门狗复位等；初始化完成后，进行相关参数设定，并将参数写入到I2C存储器中加以保存，需要设定的参数如表1所列。

    控制器对烟雾及C0进行检测，若烟雾检测值超过了预设值(烟雾阈值通过实验标定后固定在程序中)，控制器发出声光报警，并设置火警标志位，由主控制器停止所有风机，从“火警状态”中恢复过来的延时长短由“火警后系统重启延时”参数决定。主控制器间隔5s查询各从控制器工作状态，当检测到某区域发生火灾，控制停止所有风机，从控制器修改当前工作状态。控制器对诱导风机的程序控制流程如图7所示。控制器在工作中显示风机当前状态、烟雾及CO检测值、是否出现火灾、是否CO超标、系统工作状态(各主要部件工作状态，如时钟芯片操作、A／D转换、通信)等信息。

3．2 电力线载波通信程序流程
    系统中主控制器与从控制器之间采用主／从通信，通信过程由主控制器发起，主控制器发送报分为“状态查询报”、“控制报”，从控制器接收到主控制器数据报后，需回以应答报。考虑软件设计的方便，发送报和应答报采用相同的报文格式，报文格式如下所示：

    报文格式中，40个“1”用于使接收端与发送端伪码随机码产生同步，帧头序列固定为0x09AF；源地址为发送数据报节点地址，目标地址是该数据报需要送达的节点地址；数据为该数据报所要传输的信息，占l字节，高4位为报类型，低4位为数据信息，数据域格式如表2所列；CRC16为源地址、目标地址、数据的CRC校验值。

    载波通信程序采用中断方式，分发送和接收两部分，中断信号由PL2102同步脉冲输出引脚(HEAD)产生，载波通信接收、发送程序如图8所示。

结语
    基于电力线通信的诱导通风控制系统，硬件设计上采用专用电力线载波通信芯片，信号发送和接收分别应用了功率放大及接收滤波电路，软件上采用了数据校验CRC16，保证通信的可靠性。该设计方案具有系统构建简单、成本低、调试维护方便的优点。