陳美君，陳惠桐

CHEN Mei-jun, CHEN Hui-tong

（金陵科技學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，南京 211169）

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)被譽(yù)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，將引導(dǎo)下一次技術(shù)革命。

物聯(lián)網(wǎng)定義：如果僅僅是從技術(shù)本身來理解物聯(lián)網(wǎng)，它可以看成是傳感網(wǎng)（包括但決不僅限于RFID）和泛在網(wǎng)的結(jié)合。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展角度來看，物聯(lián)網(wǎng)更多的是對(duì)一種新型態(tài)的技術(shù)與技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品與服務(wù)、產(chǎn)業(yè)與消費(fèi)市場的綜合稱謂，是“智慧地球”和“感知中國”戰(zhàn)略的核心，是通過各種傳感技術(shù)手段，自動(dòng)采集并初步處理人們生產(chǎn)和生活相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過各種方法傳輸?shù)较嚓P(guān)的對(duì)象，從而可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、運(yùn)用[1]。

本文重點(diǎn)從應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)方面介紹我們?cè)O(shè)計(jì)的一款支持GSM/GPRS/CDMA通訊的專用PLC“物機(jī)”原理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理，利用“物機(jī)”提供的專用接口和GSM網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)龐大的基礎(chǔ)設(shè)施和覆蓋范圍，輕松實(shí)現(xiàn)與各類傳感器的連接，實(shí)現(xiàn)“人—物”、“物—物”、 “物—人”之間的信息交流。

1 eNJ-8219 PLC“物機(jī)”以及典型配件介紹

瞄準(zhǔn)“物聯(lián)網(wǎng)”的無限想象和發(fā)展空間，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款支持GSM/GPRS/CDMA通訊的專用PLC“物機(jī)”。

所謂“物機(jī)”就是利用現(xiàn)有的GSM技術(shù)、協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，尤其是GSM網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)龐大的基礎(chǔ)設(shè)施和覆蓋范圍。利用“物機(jī)”提供的專用接口實(shí)現(xiàn)與各類傳感器的連接，實(shí)現(xiàn)“人—物”、“物—物”、 “物—人”之間的信息交流。

1.1 eNJ-8219 PLC“物機(jī)”（見圖1）

1）支持GSM/GPRS/CDMA通訊：根據(jù)用戶要求可以選配GSM、GPRS或CDMA模塊，并支持相應(yīng)模塊具有的通訊功能；任選一種模塊都能實(shí)現(xiàn)eNJ-8219 PLC輸入電源（三相四線）全部失電時(shí)的主動(dòng)報(bào)警（短信形式）；

2）支持遠(yuǎn)程和本地控制，控制方式可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程優(yōu)先或本地優(yōu)先；本地控制實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制（日歷時(shí)鐘）和事件控制（輸入觸發(fā)）；

3）內(nèi)部安裝了兩塊超能電池（發(fā)明：200810196366.6新型：200820039389.0）分別用于內(nèi)部時(shí)鐘芯片工作及停電使用。

4）支持帶RS485接口傳感器（溫濕度、壓力、液位等）、檢測器（電表、二次儀表）、驅(qū)動(dòng)器接入，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表和監(jiān)視；

5）具有缺相檢測功能，能實(shí)現(xiàn)缺相保護(hù)（三相電機(jī)、三相空調(diào)、三相設(shè)備）和報(bào)警；

6）支持I/O輸入，可實(shí)現(xiàn)門禁、紅外、安全門限裝置的接入；

7）支持交流輸入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率輸出的反饋檢測；

8）外型尺寸（長×寬×高）：155×110×64；

9）安裝形式：底部導(dǎo)軌式安裝。

圖1 eNJ-8219 PLC“物機(jī)”

圖2 典型配件 eNJ-8218-TS檢測器

應(yīng)用領(lǐng)域：

配電柜：路燈照明配電柜，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；景觀燈配電柜，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；燈箱廣告配電 ，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、定時(shí)開關(guān)燈；大型辦公大樓、商業(yè)大樓、學(xué)校等的智能化配電管理。

水利：泵站：動(dòng)力電纜的防盜報(bào)警，缺相檢測及保護(hù)；

防汛：區(qū)域閘閥門的遠(yuǎn)程調(diào)度，水位數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集；

環(huán)保：環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、排水口水質(zhì)參數(shù)動(dòng)態(tài)采集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；

氣象：野外氣象觀察點(diǎn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸、故障報(bào)警；

地震：野外地震觀察探頭的數(shù)據(jù)采集、傳輸、報(bào)警；

1.2 典型配件eNJ-8218-TS 檢測器（見圖2）

eNJ-8218電纜檢測器是一款對(duì)供電線路進(jìn)行故障預(yù)警和及時(shí)報(bào)警的設(shè)備，設(shè)備將被測點(diǎn)的情況，以短信形式通知到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)和管理者手機(jī)，使管理者響應(yīng)突發(fā)事件的方式由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)人，贏取更多挽回?fù)p失的寶貴時(shí)間。

滿足功能如下：

1）可群發(fā)（支持5個(gè)號(hào)碼）報(bào)警中文短信，其中0號(hào)位號(hào)碼（應(yīng)用于監(jiān)控中心）發(fā)送2；

2）密鑰功能，只有密碼正確后，才能進(jìn)行設(shè)置工作；

3）撥號(hào)巡檢功能；

4）具有傳感器接入功能；

5）技術(shù)參數(shù)：

內(nèi)置GSM 900/1800MHz雙頻工業(yè)模塊；

工作電壓：AC40V-275V，支持電壓跳變，即：DC40V與AC220V相互切換；

短信響應(yīng)時(shí)間：在35～70秒；

通訊接口：RS485；

防護(hù)等級(jí)：IP65；

工作環(huán)境溫度：-20℃～+55℃； 濕度：20%～85%。

2 eNJ-8219 PLC“物機(jī)”主要原理介紹

2.1 eNJ-8219 PLC“物機(jī)”原理框圖

圖3 eNJ-8219 PLC“物機(jī)”原理框圖

2.2 eNJ-8219 PLC“物機(jī)”原理分析

其中主要有三部分組成：

2.2.1 電源部分

根據(jù)現(xiàn)場情況該電源的輸入端能夠接入交流270V和直流36V的兩種電壓，經(jīng)過內(nèi)部的整流和高頻開關(guān)方式的穩(wěn)壓完成對(duì)模塊本身電路的供電和對(duì)模塊中的高能電池的充放電管理。其中對(duì)高能電池的充電電壓、電流的判斷調(diào)整及放電電流的判斷控制則是本電源的處理難點(diǎn)。

2.2.2 主控部分

主控模塊的核心有工控單片機(jī)擔(dān)當(dāng)，單片機(jī)本身有相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)空間和對(duì)外交互的接開口，在整個(gè)工作過程中單片機(jī)有兩個(gè)工作模式：本地操作模式和遠(yuǎn)程操作模式。當(dāng)處于遠(yuǎn)程模式時(shí)，單片機(jī)接收無線通信（GSM/GPRS/CDMA）模塊送出的指令信息并進(jìn)行分析，然后輸出相應(yīng)信息指揮執(zhí)行部件（電動(dòng)開關(guān)、磁飽和繼電器、聲光報(bào)警裝置等）做出相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)又將各種受控部件的狀態(tài)信息接受下來發(fā)送給無線通信模塊，使其以短信或撥號(hào)的形式發(fā)送出去。當(dāng)處于本地模式時(shí)，單片機(jī)接受本設(shè)備面板操作按鈕給出的控制命令并作出相應(yīng)的分析處理和之行動(dòng)作，然后將相應(yīng)信息發(fā)送到設(shè)備面板的LCD顯示屏進(jìn)行顯示。

2.2.3 無線通信部分

無線通信模塊利用公眾化并以成熟的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，以短信或撥號(hào)方式接收操作人員和管理人員發(fā)出的命令然后通過接口發(fā)送給控制模塊，同時(shí)還能通過接口接受由控制模塊發(fā)出的設(shè)備信息和控制命令，并以短信或撥號(hào)的方式發(fā)送給操作和管理人員。這里的管理和操作人員發(fā)送和接收信息可以通過手機(jī)、電話或聯(lián)網(wǎng)的專用計(jì)算機(jī)。

3 自動(dòng)控制的外圍模塊與電路

3.1 檢測外圍模塊

eNJ-8218-TS 檢測器，能對(duì)供電線路進(jìn)行故障預(yù)警和及時(shí)報(bào)警的設(shè)備，設(shè)備將被測點(diǎn)的情況，以短信形式通知到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)和管理者手機(jī)，使管理者響應(yīng)突發(fā)事件的方式由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)人，贏取更多挽回?fù)p失的寶貴時(shí)間。

框圖如下：

圖4 eNJ-8218-TS 檢測器原理框圖

3.2 自動(dòng)控制的常用硬件電路

3.2.1 感應(yīng)模塊

感應(yīng)模塊根據(jù)要感應(yīng)和控制的參數(shù)決定，如非接觸環(huán)境的溫度測量可以用熱電堆紅外測溫傳感器，它直接感應(yīng)熱輻射，不需要機(jī)械地接觸被測物體而快速測得溫度讀數(shù)，為非接觸溫度測量提供較好的解決方案，能可靠地測量熱的、危險(xiǎn)的或難以接觸的物體，而不會(huì)污染或損壞被測物體。它一般由硅基微機(jī)械技術(shù)保證了它的極好的長期穩(wěn)定性，非常低的溫度靈敏系數(shù),極好的光電特性，價(jià)格也不太高，它不需要冷卻，但在整個(gè)溫度測量范圍內(nèi)能達(dá)到±1℃的精度。

如要感應(yīng)和控制的參數(shù)是較大電流的變化，則可以用閉環(huán)霍爾電流傳感器測量，利用霍爾器件為核心敏感元件隔離檢測電流磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線形關(guān)系，因此可利用霍爾器件測得的輸出信號(hào)直接反應(yīng)出導(dǎo)線中的電流大小，可檢測出帶點(diǎn)導(dǎo)體是否工作正常。

3.2.2 處理和控制模塊

處理和控制模塊一般由調(diào)理模塊和嵌入式模塊構(gòu)成。

調(diào)理模塊往往包含信號(hào)放大電路、比較器和延時(shí)觸發(fā)電路等，嵌入式模塊可以采用單片機(jī)、DSP,ARM等。

圖5 一般框圖示意圖

當(dāng)感應(yīng)器檢測到信號(hào)超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，相應(yīng)的口會(huì)對(duì)電平進(jìn)行判斷（本過程也可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，用模擬開關(guān)選擇），如：判斷I/O口是否為高電平，將P1口的值0X01 相與，再置位相應(yīng)的數(shù)組位。這樣將相應(yīng)的數(shù)組通過組合并在程序里判斷一下組合值就可以知道哪幾路應(yīng)該執(zhí)行報(bào)警動(dòng)作。這里的后續(xù)驅(qū)動(dòng)電路是數(shù)碼管顯示和語音提示，對(duì)于不同路的情況，程序?qū)⒃趯?duì)應(yīng)數(shù)組位上賦以對(duì)應(yīng)的值，即選擇不同的數(shù)據(jù)地址，從而使不同的后續(xù)電路動(dòng)作[2]。

3.2.3 驅(qū)動(dòng)后續(xù)報(bào)警電路（后續(xù)報(bào)警電路可以接于繼電器后）

后續(xù)報(bào)警電路根據(jù)功率的不同接于繼電器或模擬開關(guān)之后，此處的電路重點(diǎn)要考慮阻抗匹配、延時(shí)和后續(xù)電路的功率。

圖6 驅(qū)動(dòng)后續(xù)報(bào)警電路（后續(xù)報(bào)警電路接于繼電器后）

典型錄放電路（單片機(jī)可以選擇數(shù)據(jù)地址，控制發(fā)音，如ISD2500語音組合精靈板）

圖7 ISD2500語音組合精靈板原理圖

4 “物機(jī)”的典型應(yīng)——校園水電資源的合理分配和控制

4.1 設(shè)計(jì)背景

長期以來，我國學(xué)校用水電模式基本上是對(duì)校辦公區(qū)和學(xué)生公寓普遍實(shí)施免費(fèi)用水電量供應(yīng)，即“大包大攬，統(tǒng)收統(tǒng)支”。具體講就是，學(xué)校所有用水電費(fèi)用均由學(xué)校支付，校內(nèi)各單位、個(gè)人用電隨意性大，這是一種被動(dòng)的管理模式，學(xué)校只能在每月月末才能知道全校的用水用電狀況，而且由于校園面積大，所涉及的個(gè)人和部門多，漏電、偷電、超負(fù)荷用電時(shí)有發(fā)生，從而造成學(xué)校用電量大增，負(fù)擔(dān)極重，學(xué)校財(cái)產(chǎn)和資源在無形中流失極大。

隨著學(xué)校的現(xiàn)代化和信息化的建設(shè)的深入，各學(xué)校的用電設(shè)備每年都呈數(shù)量級(jí)的增長，這也無形中加大了學(xué)校用水用電費(fèi)用的負(fù)擔(dān)。

圖8 系統(tǒng)示意圖

黨中央已經(jīng)把節(jié)約資源提到了一定記事日程，建設(shè)節(jié)約型學(xué)校也具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

4.2 設(shè)計(jì)要求

對(duì)校園轄區(qū)水電資源的合理分配和控制，綜合最新的無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代總線技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)、軟件技術(shù)等推出的校園能源管理系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)照明用電時(shí)的節(jié)電，而且為學(xué)校水電管理提供了高效的自動(dòng)智能化管理途徑和手段，采用技術(shù)手段能大大提升學(xué)校在水電管理方面的效率，尤其是學(xué)校衛(wèi)生間的到位管理對(duì)提高學(xué)校整體形象會(huì)有非常顯著的效果。通過管理型節(jié)約和技術(shù)型節(jié)約兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)“建設(shè)節(jié)約型校園”的目標(biāo)。

4.3 校園節(jié)能管理系構(gòu)成

4.3.1 系統(tǒng)示意圖

4.3.2 系統(tǒng)主要組成

系統(tǒng)三大組成：中央控制單元（CTU），二級(jí)控制單元（MCU）（樓控單元），遠(yuǎn)程控制單元（RTU）

1）中央控制單元（CCU）

安裝在校園管理中心內(nèi)，由管理計(jì)算機(jī)、無線通訊模塊和中央控制臺(tái)組成，是管理人員與本系統(tǒng)直接交流的部分。中央控制單元（CCU）采集遠(yuǎn)程控制單元（RTU）通過二級(jí)控制單元（MCU）傳輸上來的信息狀態(tài)，進(jìn)行匯總、整理后提供給用電管理者決策使用；同時(shí)用電管理者可以命令中央控制單元（CCU）自動(dòng)或者手動(dòng)形成對(duì)遠(yuǎn)程控制單元（RTU）進(jìn)行控制的命令，這一命令經(jīng)過二級(jí)控制單元（MCU）傳輸?shù)街付ǖ倪h(yuǎn)程控制單元（RTU），由遠(yuǎn)程控制單元（RTU）實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。

2）二級(jí)控制單元

二級(jí)控制單元（MCU）安裝在每棟樓的總配線箱附近，通過現(xiàn)場總線將本棟樓內(nèi)的遠(yuǎn)程控制單元（RTU）連接起來，通過無線方式與中央控制單元（CCU）所在樓的二級(jí)控制單元（MCU）連接，為中央控制單元（CCU）與系統(tǒng)內(nèi)任意遠(yuǎn)程控制單元（RTU）之間建立穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。

3）遠(yuǎn)程控制單元 （RTU）

遠(yuǎn)程控制單元安裝在受控對(duì)象的前端，受控對(duì)象包含教室、辦公室、實(shí)驗(yàn)室、衛(wèi)生間。

4）典型設(shè)備配置

表1 典型設(shè)備配置

4.4 系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到的功能

系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，可根據(jù)用戶要求靈活配置受控對(duì)象，受控對(duì)象的數(shù)目無限制。系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)控制方式，在手動(dòng)方式下，管理者可以指定任意受控對(duì)象進(jìn)行操作；在自動(dòng)方式下，系統(tǒng)能根據(jù)管理者制定的時(shí)間表進(jìn)行自動(dòng)控制，從而減輕管理者日常維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)具有自動(dòng)巡檢功能，如發(fā)現(xiàn)異常，不僅可以準(zhǔn)確定位，還能通過多種方式（如：電話、短信等）通知管理者。管理者也可以通過電話或手機(jī)短信進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控控制。

具體控制對(duì)象：房間（如：教室、辦公室、實(shí)驗(yàn)室等）或用電設(shè)備（如：照明、空調(diào)、電熱水器、多媒體設(shè)備、電視等、用水設(shè)備（如：衛(wèi)生間水箱、洗手池等）；其它設(shè)備（如 :電鈴、廣播、巡更、報(bào)警等）。

具體控制內(nèi)容：能實(shí)現(xiàn)電和水的控制和管理，使節(jié)水、節(jié)電等與能源管理系統(tǒng)融為一體如定時(shí)開關(guān)燈，由感應(yīng)數(shù)據(jù)確認(rèn)后續(xù)設(shè)備動(dòng)作，系統(tǒng)故障時(shí)各受控對(duì)象能自動(dòng)恢復(fù)到正常供電，保證教學(xué)和科研工作的正常進(jìn)行。系統(tǒng)具有防過載和漏電的功能，確保人生和設(shè)備安全。

本方案適用：調(diào)整探測器和后續(xù)動(dòng)作設(shè)備，本系統(tǒng)可以移植到任意轄區(qū)的自動(dòng)化節(jié)能和控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)已經(jīng)在我校的校園自動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)中工作良好，實(shí)現(xiàn)了配電柜的遠(yuǎn)程控制，如定時(shí)開關(guān)燈，數(shù)據(jù)采集等智能化配電管理，調(diào)整探測器和后續(xù)動(dòng)作設(shè)備，本系統(tǒng)可以移植到任意轄區(qū)的自動(dòng)化節(jié)能和控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的成本不高，控制相對(duì)簡單和穩(wěn)定，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用中具有實(shí)際意義。

但考慮“物機(jī)”的應(yīng)用環(huán)境非常惡劣，目前的電池不能滿足“物機(jī)”，真正“超能電池”的配套尚有待研究。

[1]王俊峰,等.物聯(lián)網(wǎng):新一輪技術(shù)革命帶來爆發(fā)性機(jī)會(huì)[J].當(dāng)代社科視野,2009,10.

[2]吳金茂,等.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.