基于PLCC的物联网传感器节点的设计

摘  要： 关键词： PLCC; 传感器节点; SoC单片机
   　物联网(Internet of Things)的基本概念是在计算机互联网的基础上，利用射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议将任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，构造一个覆盖万事万物的实物互联网，进而在互联网的基础上提供专为供应链企业的各种信息服务[1]。物联网主要解决物到物T2T(Thing to Thing)、人到物H2T(Human to Thing)、人到人H2H(Human to Human)之间的互联，实现信息采集和监测、信息汇总和处理、远端设置和控制等功能。
　物联网的体系结构分为网络感知层、传输网络层和应用网络层三个组成部分[2]。为方便应用，通常把感知网络层与传输网络层中的接入子层设计到一个模块中，这就是所谓的物联网传感器节点。物联网传感器节点通常包括各种传感器、信息获取与处理、信息传输等关键部件，必要时还可添加执行机构以控制某些物件的状态。在信息传输中，对于具有电网线路的领域，利用电力线载波通信PLCC(Power Line Carrier Communication)传输物联网中的一些信息是非常合适的。
　PLCC是电力系统特有的有线通信方式，是现成、可靠的信息传输通道，具有传输路由合理、信道无需建设等特点。电力载波除可进行网络通信、语音通信以外，还可实现电表、水表、燃气表等计量仪表数据信息的远程读取[3]；可作为永久在线连接链路，构建防盗、防火、防毒气泄漏等安全监控系统；可构建老年监护系统和医疗急救系统等等。可见，PLCC用途广泛、应用前景良好。利用PLCC构建物联网传感器节点不仅是可行的，而且也是非常必要的。在充分考虑物联网传感器节点的组成以及应用需求基础上[4]，提出并设计了一种基于PLCC的物联网传感器节点，并对此进行了实验测试。结果表明该设计正确合理，传感器节点适用性强，性能指标达到了预期要求。
1 技术基础
　在对目前的物联网技术、PLCC技术、无线传感器网络以及微处理器应用等现状进行调研后,选用SoC单片机C8051F021作为主控单元,SC1128芯片作为电力线载波通信核心部件，配合相关接口电路、放大电路以及耦合电路等外围器件，设计并制作了物联网传感器节点。
　SoC单片机C8051F021是Silicon Laboratories推出的一款片上系统(System on Chip)单片机，主要特点是：内核和指令系统与MCS-51系列单片机完全兼容；指令执行速度高达25 MIPS;全部I/O、RST、JTAG引脚均允许5 V电压输入；程序运行过程中可进行内部、外部时钟切换以减小单片机功耗等。
　C8051F021除具备MCS-51系列单片机的功能部件外，还增加了多种片内资源，主要包括：4 KB的外部数据存储器和64 KB的Flash程序存储器；5个通用定时器/计数器和一个可编程计数器阵列PCA(Programmable Counter Array)；全双工的UART、SMBus总线(与I2C总线兼容)以及SPI等多种串行通信接口电路；模拟/数字转换、数字/模拟转换以及程控增益放大器等[5]。
　SC1128是北京智源利和微电子技术有限公司推出的一款适合我国电网状况的电力线载波通信芯片，采用了直接序列扩频、DPSK调制等新技术,集成了扩频/解扩、调制/解调、输出驱动、信号处理、串口通信等部件[6]，具有单5 V电源供电、数据速率较高、功能强大、成本低廉、抗干扰及抗衰减性能强等优点，非常适合在小型多功能系统中使用。
2 传感器节点电路设计
　物联网传感器节点适用于低压电力线的场合，例如智能家居、楼宇监控、智能小区管理等。设计的理念是构造一款适合多种传感器接口的物联网节点,采用电力线载波作为网络通信媒介，并引入一些控制电路，以便在必要时触发执行部件动作。
     传感器节点的组成及其与外部电路的连接框图如图1所示，虚线框内是基于PLCC的物联网传感器节点结构图，SoC单片机C8051F021为PLCC主控单元。
   
   　传感器节点实现三种基本功能:提交传感器感知的信息、接收上位机的命令以及修改自身的工作参数。提交传感器信息即将模拟或数字传感器所感知的信息由相应的接口进入单片机。单片机对这些信息进行处理后送交芯片SC1128，再经过SC1128扩频调制以及功率放大，就可将已调载波信号由耦合电路耦合至电力线。电力线上的已调载波可被挂接在线上的上位机接收和处理，并通过网关汇聚到物联网中。
　传感器节点可接收上位机控制命令以使控制电路可操控某些外部事件(例如切断电源、开启风扇等)。物联网中的控制中心将一些必要的命令由网关送达上位机，上位机将这些信息通过电力线载波分发到传感器节点的前端，经过耦合、带通滤波、前置放大与SC1128解调后以数字形式送交单片机，单片机解析后即可命令控制电路操控外部执行部件。
　传感器节点的工作参数可通过节点外部的配置设备进行改动，这不仅能使节点适应不同动态范围的传感器件，而且还可依据电网状况调整电力载波通信方式以达到信息传输稳定可靠的目的。
2.1 模拟、数字接口电路和控制电路
　单片机的模拟、数字接口电路和控制电路如图2所示，包括两路模拟输入通路、三路数字输入通路和三路控制输出通路，可外接两个模拟传感器、三种数字传感器，具有光耦输出、可控硅输出和OC门输出三种形式的控制输出电路。