基于電力線載波通信的誘導通風控制系統(tǒng)設計

　　引言

　　誘導通風是采用誘導風機噴射出高速氣體，誘導和帶動周圍氣體向前運動，從而達到空氣流通和換氣的目的。目前，多采用智能型控制系統(tǒng)，布線復雜，成本高，系統(tǒng)調試及維護不便。電力線載波通信具有成本低、調試維護方便的優(yōu)點，非常適用于誘導通風控制系統(tǒng)。

　　1 電力線通信誘導通風控制系統(tǒng)總體設計

　　電力線通信誘導通風控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由多個誘導風機控制器組成，控制器之間采用電力線通信，每個控制器都具有檢測周邊空氣質量狀況(煙霧檢測、CO檢測)的功能，并能夠根據檢測結果控制一臺誘導風機工作。控制器分主/從控制器，主控制器在完成本身所帶誘導風機控制的同時，要獲取各從控制節(jié)點工作狀態(tài)，并控制從控制器工作。從控制控制器根據檢測結果控制自身所帶誘導風機工作，同時向主控制器匯報當前工作狀態(tài)并受到主控制器控制，當自身控制與主控制器控制命令發(fā)生沖突時，以主控制器控制命令為準，例如自身需要開啟風機，而控制命令需要關閉風機，則控制關閉風機。

　　2 電力線通信誘導通風控制器硬件設計

　　2.1 誘導通風控制器硬件結構框圖

　　電力線通信誘導控制器硬件結構分為煙霧檢測、CO檢測、電力線載波通信、誘導風機控制、電源單元、時鐘單元、存儲單元、看門狗復位及鍵盤顯示等功能單元，如圖2所示。鍵盤主要進行系統(tǒng)控制參數(如CO濃度閾值、主/從節(jié)點標識、風機起/停延時等)設定及時鐘校準，顯示單元可以指示用戶參數設定過程，并顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)，便于系統(tǒng)的安裝調試及維護。參數設定后，將參數寫入存儲器中，控制器開始進行煙霧檢測、CO檢測、誘導風機控制等工作;主控制器需要定時查詢各從控制器工作狀態(tài)，并控制從控制器工作。

　　由于誘導通風控制系統(tǒng)工作環(huán)境(如車庫)內供氧不充分，如果發(fā)現(xiàn)火災，在火災初期為陰燃狀態(tài)，若此時開啟誘導風機，會助燃為明火，因此控制器有必要進行煙霧檢測(檢測陰燃狀態(tài))，避免誘導風機誤動作造成重大損失，在檢測到火災險情時發(fā)出聲光報警，并停止所有風機。C0檢測用于衡定區(qū)域內空氣質量狀況，檢測到CO超標時開啟誘導風機工作，保證通風換氣效果。控制器通過電力線載波通信單元實現(xiàn)與其他控制器的數據傳輸和信息交互。由于控制器工作環(huán)境復雜、工作過程無人值守，看門狗復位單元可以有效避免系統(tǒng)工作過程中發(fā)生死機和程序跑飛現(xiàn)象。

　　2.2 誘導通風控制器硬件電路圖

　　誘導通風控制處理器采用32位ARM 微控制器 LPC2200，該處理器基于ARM7TDMI-S體系結構，處理器時鐘頻率高達60 MHz，片內集成高速Fl-ash存儲器及豐富的外設部件(如外部中斷、A/D轉換、LCD控制器等);處理器自帶的10位A/D轉換，可以保證C0檢測、煙霧檢測中數據采集的需要;處理器自帶看門狗寄存器，在運行中如果沒有周期性的重裝，寄存器溢出時將產生內部復位。時鐘單元采用時鐘芯片SD2405AP，該芯片內置晶振、充電電池、具有標準I2C 接口，可方便地掛接在LPC2200的I2C接口上，芯片內部具有年、月、日、時、分、秒寄存器，可以滿足誘導風機定時、延時啟/停控制、CO及煙霧的定時檢測要求，電力線通信誘導通風控制器電路圖如圖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制解調器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輸出的載波調制信號進行功率放大并濾掉信號中的噪聲和偽信號。接收濾波及功率放大電路如圖4所示，輸出信號PSK_OUT經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構成并聯(lián)諧振，具有對120 kHz信號選頻作用，提高接收信號的靈敏度。

　　煙霧檢測信號放大電路如圖5所示。煙霧檢測采用一對紅外發(fā)射/接收管，并且安裝在暗室內，兩管成鈍角處于相對狀態(tài)。當需要進行煙霧檢測時，通過PO.6口開啟紅外線發(fā)射管。如果沒有發(fā)生火災險情(無煙霧)，紅外光不能到達紅外接收管;當出現(xiàn)火災險情(有煙霧)時，紅外光在煙霧顆粒表面產生漫反射和折射而進入紅外接收管，煙霧越大紅外光漫反射及折射越強，紅外光接收管信號越強。紅外接收管接收到的微弱信號經TLC27L2兩級放大后送入到LPC2200進行A/D轉換，控制器通過A/D轉換值的大小來判斷是否需要進行火災聲光報警及關斷風機操作。

　　C0檢測采用電化學元件ME3-CO，該元件得到與C0氣體濃度成正比的微弱電流信號，該信號必須進行放大后才能進行A/D轉換，信號調理電路如圖6所示。調理電路運算放大器采用AD8572，其中UA、R5～R7、C1構成恒定電位電路，使得C、R兩極及與W極之間電位保持一定;UB、R1～R4、C2構成信號放大電路，用來檢測CO傳感器中氣體電解時產生的電流，把傳感器的微弱信號加以放大，并且具有低通濾波功能，可以濾除檢測信號中的高頻干擾信號。放大后的檢測信號輸入到LPC2200進行A/D轉換，控制器通過A/D轉換值的大小來判斷當前區(qū)域內空氣質量流通情況，并對風機加以控制。

　　3 電力線通信誘導通風控制器軟

　　3.1 控制器誘導風機控制流程

　　控制器在上電后，首先要對相關軟件模塊進行初始化，包括時鐘芯片、LCD顯示、A/D轉換、外部中斷、看門狗復位等;初始化完成后，進行相關參數設定，并將參數寫入到I2C存儲器中加以保存，需要設定的參數如表1所列。

　　控制器對煙霧及C0進行檢測，若煙霧檢測值超過了預設值(煙霧閾值通過實驗標定后固定在程序中)，控制器發(fā)出聲光報警，并設置火警標志位，由主控制器停止所有風機，從“火警狀態(tài)”中恢復過來的延時長短由“火警后系統(tǒng)重啟延時”參數決定。主控制器間隔5s查詢各從控制器工作狀態(tài)，當檢測到某區(qū)域發(fā)生火災，控制停止所有風機，從控制器修改當前工作狀態(tài)。控制器對誘導風機的程序控制流程如圖7所示。控制器在工作中顯示風機當前狀態(tài)、煙霧及CO檢測值、是否出現(xiàn)火災、是否CO超標、系統(tǒng)工作狀態(tài)(各主要部件工作狀態(tài)，如時鐘芯片操作、A/D轉換、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)送報分為“狀態(tài)查詢報”、“控制報”，從控制器接收到主控制器數據報后，需回以應答報。考慮軟件設計的方便，發(fā)送報和應答報采用相同的報文格式，報文格式如下所示：

　　報文格式中，40個“1”用于使接收端與發(fā)送端偽碼隨機碼產生同步，幀頭序列固定為0x09AF;源地址為發(fā)送數據報節(jié)點地址，目標地址是該數據報需要送達的節(jié)點地址;數據為該數據報所要傳輸的信息，占l字節(jié)，高4位為報類型，低4位為數據信息，數據域格式如表2所列;CRC16為源地址、目標地址、數據的CRC校驗值。