基于电力线载波的农业物联网节点和集控器设计

张向飞，丁永生，王运圣（上海市农业委员会信息中心，上海　005；东华大学，上海　0005；上海市农业科学院农业科技信息研究所，上海数字农业工程技术研究中心，上海　040）

基于电力线载波的农业物联网节点和集控器设计

张向飞1，2，丁永生2，王运圣3*
（1上海市农业委员会信息中心，上海200335；2东华大学，上海200051；3上海市农业科学院农业科技信息研究所，上海数字农业工程技术研究中心，上海201403）

提出了一种基于电力线载波技术的农业物联网集控器和测控节点的设计方案，主要介绍采用单片机和PLCC设计集控器和测控一体节点的电路板方案与软件功能，并对其性能与特点进行讨论。采用电力线载波通讯技术组成的测控系统，只要简单地把集控器和节点接在同一根电力线上，它们就可以通过自定义的通信协议进行互联、通信。集控器主要功能：负责与上位机通信，通过触摸液晶显示屏查看节点采集上传的信息，发送控制信息给节点。节点主要功能：通过连接在节点上的不同类型传感器，对农业土壤和环境信息的实时采集和传输；节点接收到集控器下发的控制信息，执行模块和机构对农业设施大棚和温室、水肥一体化等设施设备进行控制。系统的应用会对农业节本增效、控制农业面源污染等起到积极的作用。

电力线载波通信；农业物联网；集控器；节点

电力线载波通信（Power line carrier communication）出现于20世纪20年代初期［1］，是利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种手段［2］。电力线通信方式发送数据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上，再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上［3］。输电线在输送工频电流的同时传送载波信号，既经济又十分可靠。信号频带峰峰值电压一般不超过10 V，不会对电力线路造成不良影响［4］。在以数字微波通信、卫星通信为主干线的覆盖全国的电力通信网络已初步形成、多种通信手段竞相发展的今天，电力线载波通信仍然是全球电力系统应用区域最广泛的通信方式，是电力通信网重要的通信手段［5］。

在技术上，当前的电力线载波通讯不再是点对点通讯的范畴，而是突出开放式网络结构的概念，使得每个控制节点（受控设备）组成一个网络进行集中控制［6-7］。在电力线载波应用上具有网络协议及网络概念的企业不多，国外的有Echelon公司的Lonworks网络［8］，国内的有KaiStar（凯星电子）电力线载波远程智能控制系统［9］，Risecomm（瑞斯康）公司的瑞斯康智能控制网络［10］。他们的网络协议都是根据国际标准协议EIA 709.1，EIA 709.2编写的［11］。电力线载波通信在远程抄表，路灯远程监控、工业智能化、智能建筑等方面传统领域应用广泛［12-14］。

随着互联网和智能家居的发展，智能家居行业也优先考虑用电力线作载体传输控制信号，目前最普遍应用是一个开放的国际家居自动化标准X10，它通过普通家庭电力线网来传输控制信号，实现对家庭电力线网上的灯和家用电器的各种智能控制。是起源最早、设备最便宜和最容易实现的技术［15］。在美国，有35%的美国家庭在使用X10智能家居产品，现在基于X10的智能家居产品是世界应用最广泛的智能家居产品［16］。

农业物联网是农业生产方式变革的重要支撑，利用物联网技术改造传统农业、装备农业是推动信息化与农业现代化融合的重要切入点［17］，是现代农业发展的重要方向。农业物联网也是农业大数据的重要数据来源之一。目前，农业物联网的发展还处在不断摸索完善的阶段，需要引进其他行业应用的成熟技术，进行消化、吸收、发展和创新，研发具有自主技术的农业物联网核心技术，从软件系统和硬件系统上获得突破，创造出符合国情的实用型农业物联网系统。

1　电力线载波技术概述

电力线载波是电力系统特有的通信方式，电力线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。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。数字电力线载波采用正交频分多路复用技术调制、前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术，具有多信道传输、较高传输速率、有效频谱利用率和较强抗突发干扰噪声能力等特点，可以保证信息传输的稳定可靠。电力线载波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。

农业物联网系统中引入电力线载波技术，可以利用现成的供应节点电力线传输数据。相对于传统的有线电缆物联网测控制系统，不需要专门铺设232、485或CAN总线等测控线路，基于电力线载波通信技术的测控制系统硬件成本和施工难度能够大大降低［18-19］。相比较无线方式的农业物联网应用，电力线载波一方面可以用电缆线为节点和控制设备供电，解决无线节点的能耗电源问题，降低了节点的成本，另一方面又可以提高数据传输的稳定性。

基于电力线载波通信技术的优点，本研究设计了基于电力线载波技术的农业物联网测控系统，设计分为集控器和节点，共同构成星状网络结构，实现由点及面的控制方式，作为现有的农业物联网系统硬件的补充。

2　电力线载波基本原理

2.1传输方式

电力线载波通信是通过将信号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原来信号（图1）。

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。本研究采用单边带抑制载频传输方式。

载波通信为实现载波通信系统的双向通信，通常传输方式有两种：一是采用双频带二线制传输，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；二是单频带四线制传输方式，两个传输方向上采用相同的传输频带。本研究采用双频带二线制传输。

2.2 扩频通信

扩频通信是用伪随机编码将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再传输，在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，其工作原理如图2所示。

根据香农公式：C=W×log2（1+P/N），公式中 C为信道容量，W为频带宽度，P/N为信噪比。式中指出，频带W和信噪比P/N是可以互换的，这意味着如果增加频带的宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。这就是用扩展频谱的方法获得的好处，也是扩频通信的核心所在［20］，本研究也采用扩频通信的方式。

图1　变频器示意图Fig.1　Schematicdiagram of frequency converter

图2　扩频技术原理Fig.2　Schematicdiagram ofspreadspectrum technology

2.3压降计算

直流电力线载波的应用中，在项目正式实施前能准确的计算出线上的直流压降是项目在现场能否稳定运行的基本保证。在计算点对点直流线上压降时，根据U=I×R公式，恒定的功率需求条件下，公式里带入远端节点的I和U不同时，线上压降值是不同的。在计算中只知道远端节点连接的传感器和设备的工作功耗以及待机功耗，P=U×I会有多种U×I的组合。用逼近算法，通过增量来尽可能多的带入多种P=U×I的组合。主机的电压曲线都是V字曲线，最大值往往很高，也会有个最低值。这个最低值就是工程上需要考虑的值。由于直流载波项目的直流电源是恒压源，在远端设备受电后其电流是经历从零逐步上升的过程，所以当U×I=P满足远端设备需求后电流就不再增加了，此时的点对应的就是该V字曲线的波谷的位置。通过压降计算得出，本研究采用36 V直流输出，保障每个集控器管理和连接128个节点，可以满足生产上的实际需求（图3，引自www.bestrong-tech.com/page78.html？article_id=6）。

图3　计算线上压降的V字结果曲线Fig.3　V word result curve for calculating the pressuredrop on the line

3　系统总体设计

3.1集控器和节点连接

本系统设计分为两大部分（图4）：集控器和节点，分别使用集成在两者内部的电力线载波模块实现集控器和节点之间的通讯，电力线载波模块是以电力线作为传送信号媒介，这样的传送途径可以使信号受到更小的干扰。

3.2系统设计架构

集控器由数字键盘、触摸液晶屏、开关电源电路、单片机处理、电力线载波等模块组成（图5）。

图4　集控器和节点连接示意图Fig.4　Schematicdiagram of centralized controller and node connection

图5　系统架构图Fig.5　System architecturediagram

感知模块由单片机处理模块、电力线载波电路、传感器变送和控制信号输出等模块组成。

整个系统的控制可以集控器端使用触摸屏或数字键盘来实现现场的人工控制管理，也可以通过上位机派发管理指令实现自动管理和智能管理，也可以通过pc端或移动端连接到云端来实现远程的管理和控制功能。

以现场管理为例，通过在集控器LCD屏幕上触摸选择，产生中断信号，经芯片处理后，转换为各个控制信号，由芯片的串口发出，通过电力线载波模块将信号加载至电力线，然后和节点进行通讯，也就是控制信号流动到了节点的执行模块和感知模块的接收电路部分。接收电路首先将信号通过电力线载波模块解调后送入单片机。执行模块经过单片机处理和识别，继而通过单片机控制可控硅来实现对用电设备的控制。在感知模块中经过单片机信息处理，控制传感器各种数据的采集和发送。

系统提供了三种控制方式：智能控制、自动控制和人工控制。人工控制是在集控器的液晶屏上显示出控制页面，由用户直接操作的控制，很大程度上方便用户的使用和提高了系统的适应性。系统实现了集控器与节点之间的集中化、网络化、智能化控制。

4　系统硬件结构的设计

4.1集控器硬件电路设计

集控器主控板设计：提供BOOTLOADER烧录接口spi对Atmel 2560编程控制；设计的通讯模块可以兼容电力线载波通讯模块及蓝牙、WiFi、ZigBee等各种无线通讯模块；集控器应用电力线载波通讯时由开关电源模块供电，采用无线通讯模块时，由外部电源供电；提供12key的GPI接口（3×4阵列）；提供TTL串口触摸屏接口（主板供电）；支持串口升级软件（图6）。

图6　集控器设计图Fig.6　Schematicdiagram of centralized controller

集控器通讯模块设计（图7）：对应主控模块兼容无线模块针脚定义，可以根据实际使用替换；提供向主板模块12 VdC输出；支持9—36 VdC，20 A外部电源输入；支持9—36 VdC，20 A的2线制直流电力线载波输出。

图7　测控节点设计图Fig.7　Schematicdiagram of node

4.2集控节点硬件电路设计

测控节点硬件框架和集控器一样，也选择相同的芯片，通过对不同针脚的定义来提供不同的功能，进一步降低了硬件设计成本和产品生产成本。

测控节点主控板设计：提供BOOTLOADER烧录接口spi对Atmel 2560编程控制；设计的通讯模块可以兼容电力线载波通讯模块及蓝牙、WiFi、ZigBee等各种无线通讯模块；集控器应用电力线载波通讯时由开关电源模块供电，采用无线通讯模块时，由外部电源供电；支持串口升级软件；提供6路传感器输入接口和2路控制输入接口。

测控节点通讯模块设计：对应主控模块兼容无线模块针脚定义，可以根据实际使用替换；提供向主板模块12 VdC输出；支持9—36 VdC，20 A的2线制直流电力线载波输入。

4.3用户系统采用串行接口

电力线载波模块使用TTL电平串口与用户系统进行连接，并使用交叉连接方式进行连接，通讯采用收、发、地三线制方式。本研究的用户系统也采用TTL电平串口，可以直接使用单片机的串行接口与模块进行交叉连接通讯，无须RS 232电平转换（图8）。

图8　用户系统与载波模块通讯连接Fig.8　The communication connection between the usersystem and the carrier module

5　系统软件设计

系统软件分为集控器和测控节点的嵌入式软件、上位机软件、云端软件和移动端软件等四大部分。云端软件一套，可以和分散在各地的上位机同时进行数据和信息的交互，每个上位机可以管理和控制若干个集控器，每个集控器可以管理和控制若干个测控节点。本文仅简要介绍集控器和测控节点的嵌入式软件设计。

5.1集控器嵌入式软件设计

通过对电力线载波调制解调模块、MCU芯片、液晶屏和电源电路性能分析，软件执行流程为：上电后，先和上位机连接通讯，获取上位机下发的配置表和控制指令，通过MCU芯片处理，将控制终端命令借助电力线载波电路调制到电力线发送出去，实现执行模块的控制。MCU芯片通过串口接收电力线载波调制解调模块解调下来的信息，并且对信息解释、处理和显示。在MCU芯片中嵌入多任务、占先式实时操作系统，实现系统对实时性和多任务的要求。

图9　集控器主流程图Fig.9　Flow chart of centralized controller

对于整个系统来说，集控器处于核心地位，一个集控器可以和多达128个测控节点构成一个星状结构，实现一对多的控制，是典型的基于电力线载波通信组成的网络控制系统。集控器实现了各种信息的接收、计算与显示、解释和处理、发送终端设备的控制命令等功能，信息的采集则要从感知模块得到，终端设备命令的由执行模块响应，实现了闭环控制（图9）。

数据在电力线上是广播式传送，集控器会收到与电力线相连接的所有测控节点发送的信息，必须要能确定每个节点身份，分别编上节点地址，才能对测控节点发送的信息进行检索和鉴别，防止信息接收的混乱。

5.2测控节点嵌入式软件设计

测控节点软件分为数据采集模块和命令执行模块（图10、图11）。

数据采集模块：程序初始化后通过读取接口获得本机地址，然后等待串行中断，接收数据，然后根据主控芯片的解释和处理，发送传感器数据。内部还设置了驱动事件，如发生高温高湿，感知模块自动发送采集数据，实现环境的监控。

命令执行模块：程序进行初始化，然后依次校验地址码，校验完后依次校验命令字，校验结束后依次转入相对应的程序，将编码通过接口送入控制芯片，继而控制设备。

图10　数据采集模块流程图Fig.10　Flow chart ofdata acquisition module

图11　执行模块流程图Fig.11　Flow chart of execution module

6　结论

本研究目前已完成硬件设计，并用测试板搭建了测试环境，将集控器和10个测控节点通过36 VDC电力线上，电力线上每个测控节点之间距离100 m，在集控器发送不同的控制数据和观察采集的传感器数据。测试结果表明，数据采集模块传送给集控器的传感器数据正确、可靠，命令执行模块对控制命令的响应比较快，无错误，无数据丢失，测控节点的传感器数据采集和所带负载都正常工作，并与本机地址相匹配。集控器可以正常和上位机通讯，把上位机的控制信息下发到指定的测控节点；可以接收、鉴别出测控节点上传的数据，并正常显示，总体上整个系统工作稳定可靠，各模块通信无数据丢失。

目前完成了核心器件及分模块的详细设计和调测，后续要完成：（1）电路、程序和外壳设计，电路设计需要完成原理图文档、PCB图文档、研发料单、电路调试报告、调试手册、硬件测试文档。程序设计需要完成程序烧录文件、程序修改文件。外壳设计需要完成CAD图文档，组装机械料单。（2）进行系统联调，系统联调需要完成系统联调报告。（3）批量生产产品。（4）上位机软件、云端和移动端软件的研发。

基于电力线载波通信的农业物联网集控器和测控节点的设计实现，是农业物联网传统通讯控制方式新的尝试。在农业物联网通讯控制系统的实施过程中，特别是存在较多的测控节点环境中，采用电力线载波技术的系统架构不需重新布线，不仅能够满足实时性，可靠性和兼容性要求，也具有良好的抗干扰作用和低廉的应用成本。

［1］陈凤，郑文刚，申长军，等.低压电力线载波通信技术及应用［J］.电力系统保护与控制，2009（22）：188-195.

［2］王金丽，盛万兴，王金宇，等.中低压配电网统一数据采集与监控系统设计和实现［J］.电力系统自动化，2012（18）：72-76.

［3］张长江，徐景涛，王振举，等.集中抄表双模通信系统的设计［J］.电力信息化，2013（6）：41-45.

［4］卢文冰.用于电机群远程监控的电力线通信关键技术研究［D］.北京：华北电力大学，2011.

［5］王毅，张宁，康重庆，等.能源互联网中能量枢纽的优化规划与运行研究综述及展望［J］.中国电机工程学报，2015（22）：5669-5681.

［6］蒋晓光.关于电力通信传输网解决方案的研究［J］.通讯世界，2013（23）：64-65.

［7］范明天，张祖平，苏傲雪，等.主动配电系统可行技术的研究［J］.中国电机工程学报，2013（22）：12-18.

［8］盛元.基于LonWorks技术的路灯控制系统软件设计［J］.计算机应用与软件，2007（7）：111-113.

［9］花铁森.智能家居系统核心技术探讨［J］.智能建筑电气技术，2009（1）：92-98.

［10］姜晓旭，郝炳莉.工业以太网交换机在高速公路视频监控中的应用［J］.中国交通信息化，2013（7）：124-126.

［11］王立文，赵红卫.LonWorks技术在铁路行业的应用［J］.铁道机车车辆，2009（4）：34-38.

［12］YOONsg，JANGs，KIM Y H，et al.Opportunistic routing forsmartgrid with power line communication access networks［J］.IEEE Transactions onsmartgrid，2014，5（1）：303-311.

［13］BUMILLERg，LAMPE L，HRASNICA H.Power line communication networks for large-scale control and automationsystems［J］.IEEE Communications Magazine，2010，48（4）：106-113.

［14］LIN Y J，LATCHMAN H，LEE M，et al.A power line communication network infrastructure for thesmart home［J］.IEEE Wireless Communications，2003，9（6）：104-111.

［15］刘晶.普及智能家居知识：快速解读X10技术［J］.电脑知识与技术，2006（Z1）：32-51.

［16］邓建玲，王飞跃，陈耀斌，等.从工业4.0到能源5.0：智能能源系统的概念、内涵及体系框架［J］.自动化学报，2015（12）：285.

［17］余欢，王运圣，徐识溥，等.基于ZigBee技术的葡萄温室环境数据采集系统研究［J］.上海农业学报，2016，32（1）：72-75.

［18］何华冰.电力线通讯网络组网算法在植物工厂中的应用研究［D］.苏州：苏州大学，2015.

［19］焦勤皓.基于电力线载波的灌溉远程监控系统设计与实现［D］.宁夏：宁夏大学，2015.

［20］许博.基于直序扩频技术的电力线数字通信系统设计［D］.成都：四川大学，2005.

（责任编辑：张睿）

Design of agricultural internet of things node and controller based on power line carrier communication

ZHANG Xiang-fei1，2，DING Yong-sheng2，WANG Yun-sheng3*
（1Information Center ofshanghai Agricultural Committee，Shanghai 200335，China；2Donghua University，Shanghai 200051，China；3Agricultural Information Institute ofscience and Technology，Shanghai Academy of Agriculturalsciences，Shanghai Engineering Research Center fordigital Agriculture，Shanghai 201403，China）

This paper introduces thedesignscheme of the controller and the node of the agricultural internet of things based on power line carrier technology.In this paper，the microcontroller and PLCC are used todesign the controller and the node，and the performance and characteristics of the controller arediscussed.Power line carrier communication measurement and controlsystem，as long as the centralized controller and the node connected to thesame power line，they can communicate through a custom communication protocol.Centralized controller main function：responsible for communication with the host computer，through the touch LCDscreen to view the node to collect and upload the information，send the control information to the node.Node functions：acquisition and transmission of agriculturalsoil and environmental information；receiving the control information，control ofgreenhouse，integrated management of water and fertilizer etc.The application of thesystem will reduce the cost of agriculture and control agricultural non-pointsource pollution.

Power line carrier communication；Agricultural internet of things；Centralized controller；Node

S126

A

1000-3924（2016）04-132-08

2016-06-12

上海市科技兴农重点攻关项目［沪农科攻字（2015）第6-4-1号］

张向飞（1975—），男，在读博士，高级工程师，主要从事农业信息化研究。Tel：021-52161307

王运圣（1971—），男，博士，副研究员，研究方向：农业信息化。E-mail：wangyunsheng@saas.sh.cn