一种基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪的制作方法

本实用新型涉及环境参数精确测量技术领域，特别是指一种基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪。

背景技术：

当前，一般在建筑领域环境检测装置主要检测PM2.5含量或者温湿度，而在农业方面主要是检测CO₂浓度或者温湿度，从而实现控制对农作物的生长，这些检测装置检测目标单一，不能跨领域应用。随着社会的发展，在工业生产中需要一种能够同时测量多个环境参数，如对温湿度需求较高的同时，也需要对CO₂测量，以判断风机的开启或者关闭；在家庭住房中，以前人们对室内温度比较关注，但由于雾霾的影响，人们特别是有婴幼儿的家庭关心PM2.5和PM10的含量，所以需要一种测量仪，可以精确测量人们日常关注的环境参数，方便人们的生活。

同时，现有的空气测量仪通信方式主要是：WiFi和蓝牙等，这几种通信方式主要缺点在于：(1)通信距离短，不能实现大范围的通信；(2)每一种通信方式都需要相应的硬件配备，如WiFi通信，需要网络接入和相应的无线设备，一般的大功率的无线设备不仅成本高，而且传输距离短，虽然移动或者电信的无线设备通信距离比较长，但显然设备的成本会相当的高。家庭使用的无线路由传输距离一般为10米左右，并且穿透能力很弱。而蓝牙的传输距离更是其硬伤，无法实现大规模的应用。

专利CN105181020A提供了一种多功能环境测试仪，可以测量多种环境参数，但这种测试仪的传输方式是WiFi或者蓝牙，这种传输方式的主要缺点：WiFi在进行数据传输的时候，功率较大，若用电池续航时间又短，由于WiFi传输需要路由等各种设备，硬件费用高， 在没有路由的环境下是没有办法使用WiFi传输；蓝牙的传输距离更是限制其使用的主要原因。

综上所述，需要对进一步增加可测量的环境参数，扩大测量仪的适用领域，并且提高通信的传输距离，同时减少投资成本。

技术实现要素：

本实用新型针对现有的通信方式不能长距离传输、传输环境受限、测量环境参数单一等问题，提供一种基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪。

该测量仪包括壳体和集成电路，集成电路位于壳体内部；壳体外部前端有吸风口区域和指示灯区域，指示灯区域包括状态指示灯、数据发送指示灯和数据接收指示灯，壳体外部后端有出风口区域和电源接口区域；集成电路包括电源模块、微处理器、环境参数采集模块、数据存储模块、隔离保护模块和载波通信模块，其中，环境参数采集模块包括CO₂传感器、PM2.5和PM10传感器、温湿度传感器，CO₂传感器、PM2.5和PM10传感器、温湿度传感器分别与微处理器连接，数据存储模块与微处理器连接，隔离保护模块与微处理器连接，载波通信模块与隔离保护模块连接，电源模块为微处理器、环境参数采集模块、隔离保护模块、数据存储模块和载波通信模块供电。

其中，壳体为铝制壳体。

微处理器采用高性能工业级微处理器STM32F103，它是由ST公司研制而成，该芯片内核为ARM公司的32位Cortex-M3处理器。微处理器主要完成相关数据的采集、处理存储以及与上位机的通信功能。通过软件设计，实现微处理器对各个传感器初始化、参数配置和下发控制命令等操作。实现数据采集之后，微处理器再把包含测量仪地址、当前时间、实时数据发送给上位机。

电源模块是整个系统正常工作的关键部分，电源模块设计的好坏直接影响到系统的稳定性和性能。由于系统的供电电压多并且幅值也不相同，系统对电源的性能要求高并且要求体积小、重量轻，因此， 采用高性能开关电源的形式，根据供电需求以及考虑现场的环境因素，加入了金升阳科技有限公司出品的工业级AC/DC隔离电源模块，可以提高系统的安全性及可靠度。该方案能很好的满足低压电路的需求。电源模块由220V转换为两路电压：12V和5V。其中12V一路转换为5V为载波通信模块进行供电；5V一路为CO₂和PM模块供电，并且5V自身转3.3V供电至微处理器。

由于系统有强电接入，为了对微处理器进行保护，在微处理器与载波通信模块之间设计了数字隔离保护模块，主要采用工业级Si8663型号的数字隔离芯片。Si8663数字隔离芯片具有六路通道，其中三路的传输方向由微处理器到载波通信模块，其余三路通道的传输方向是由载波通信模块到微处理器；它具有宽范围的工作温度，数据传输速率150Mbps，是目前业界最高的水平；与同类产品比较，抖动性能最低，可保证具有最低的数据传输错误和误码率。

环境参数采集模块，对环境中的主要参数进行采集，包括：CO₂浓度、温度、湿度、PM2.5含量和PM10含量。本实用新型使用T6603传感器测量CO₂，使用STH21测量温湿度，使用SDS011PM2.5传感器测量PM2.5和PM10含量，各个传感器的精度高，工作稳定可靠，可以实现精确测量。由于可测量的环境参数种类多，因此测量仪可以同时应用到多个领域，如：工业、建筑、农业等领域。

为避免上位机数据丢失的时候，检测的数据丢失，系统设计数据存储模块以保证数据的安全性。本系统主要采用工业级SST25VF032B串行闪存，此芯片采用四线、兼容SPI的接口。SST25VF032B器件是增强型器件，与一般的存储器件相比，提高了工作频率并降低了功耗。SST25VF032B SPI串行闪存采用SST专有的高性能CMOS技术制造。与其他方法相比，分离栅极单元设计和厚氧化层隧穿注入器可实现更高的可靠性和可制造性。对于SST25VF032B，技术的编程电流更低、擦除时间更短。因此，在任何擦除或编程操作期间消耗的总能量低于其他闪存技术。

载波模块与微处理器通过串口连接进行数据通信，载波模块采用 福星晓程GWD-M100单相载波模块，此载波为同步通信方式，CRC校验，载波中心频率为120KHz，调制方式为DBPSK。载波模块与微处理器通过串口连接进行数据通信，另外还有IO口线直连实现事件的触发和设置。载波发送环境数据信号通过模块耦合到电力线，接收信号通过模块解耦，整个过程实现数据的收发。载波模块内部包含数据处理主芯片，发送和接收配置线路，通过变压器线圈实现与电力线的耦合，主芯片是载波的收发处理芯片，与微处理器之间串行通信。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本设计功能相比其他环境测量仪，测量参数多包括有：CO₂浓度、温度、湿度、PM2.5含量和PM10含量，并且测量精度高，功能强大。可以广泛的应用到建筑、工业和农业等行业。

(2)本实用新型传输方式为低压电力线载波通信，这种通信方式有着其他通信方式无法比拟的优点，电力线分布范围广、密度大，不需要重新布线，投资成本低，并且电力线的通信距离一般无中继的情况下为1km，电力线负载小的时候，可达几公里，比普通的WiFi或者蓝牙远。并且由于电力线的自身特点，便于对测量仪的维护，减少很多人力和物力。

(3)本设计的通信模块与微处理器之间设有数字隔离模块，能有效消除电力线信号干扰，保护微处理器并维持通信信号的稳定性。

(4)本设计结构简单，运行可靠，测量精度高，成本低，适合大面积应用。

附图说明

图1为本实用新型的基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪外壳结构正面视图；

图2为本实用新型的基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪外壳结构背面视图；

图3为基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪的内部结构框图；

图4为基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪的电源系统电路图；

图5为基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪的隔离保护模块电路图；

图6为基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪的数据存储模块电路图；

图7为基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪的测量流程图。

其中：1-载波通信模块；2-隔离保护模块；3-数据存储模块；4-微处理器；5-电源模块；6-PM2.5和PM10传感器；7-CO₂传感器；8-温湿度传感器；11-吸风口区域；12-状态指示灯；13-数据发送指示灯；14-数据接收指示灯；15-出风口区域；16-电源接口区域。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型针对现有的通信方式不能长距离传输、传输环境受限、测量环境参数单一等问题，提供一种基于低压电力线载波通信的环境参数测量仪。

该测量仪包括铝制壳体和集成电路，集成电路位于壳体内部，如图1和图2所示，壳体外部前端有吸风口区域11和指示灯区域，指示灯区域包括状态指示灯12、数据发送指示灯13和数据接收指示灯14，壳体外部后端有出风口区域15和电源接口区域16。

如图3所示，集成电路包括电源模块5、微处理器4、环境参数采集模块、数据存储模块3、隔离保护模块2和载波通信模块1，其中，环境参数采集模块包括CO₂传感器7、PM2.5和PM10传感器6、温湿度传感器8，CO₂传感器7、PM2.5和PM10传感器6、温湿度传感器8分别与微处理器4连接，数据存储模块3与微处理器4连接，隔离保护模块2与微处理器4连接，载波通信模块1与隔离保护模块 2连接，电源模块5为微处理器4、环境参数采集模块、隔离保护模块2、数据存储模块3和载波通信模块1供电。

微处理器采用高性能工业级微处理器STM32F103，由ST公司研制而成，该芯片内核为ARM公司的32位Cortex-M3处理器。微处理器主要完成相关数据的采集、处理存储以及与上位机的通信功能。通过软件设计，实现微处理器对各个传感器初始化、参数配置和下发控制命令等操作。实现数据采集之后，微处理器再把包含测量仪地址、当前时间、实时数据发送给上位机。

如图4所示，电源模块是整个系统正常工作的关键部分，电源模块设计的好坏直接影响到系统的稳定性和性能。由于系统的供电电压多并且幅值也不相同，并且系统对电源的性能要求高并且要求体积小、重量轻，因此，采用高性能开关电源的形式，根据供电需求以及考虑现场的环境因素，加入了金升阳科技有限公司出品的工业级AC/DC隔离电源模块，可以提高系统的安全性及可靠度。该方案能很好的满足低压电路的需求。电源模块由220V转换为两路电压：12V和5V。其中12V一路转换为5V为载波通信模块进行供电；5V一路为CO₂和PM模块供电，并且5V自身转3.3V供电至微处理器。

由于系统有强电接入，为了对微处理器进行保护，在微处理器与载波通信模块之间设计了数字隔离保护模块，如图5所示，主要采用工业级Si8663型号的数字隔离芯片。Si8663数字隔离芯片具有六路通道，其中三路的传输方向由微处理器到载波通信模块，其余三路通道的传输方向是由载波通信模块到微处理器；它具有宽范围的工作温度，数据传输速率150Mbps，是目前业界最高的水平；与同类产品比较，抖动性能最低，可保证具有最低的数据传输错误和误码率。

环境参数采集模块，对环境中的主要参数进行采集，包括：CO₂浓度、温度、湿度、PM2.5含量和PM10含量。本实用新型使用T6603传感器测量CO₂，使用STH21测量温湿度，使用SDS011PM2.5传感器测量PM2.5和PM10含量，各个传感器的精度高，工作稳定可靠，可以实现精确测量。由于可测量的环境参数种类多，因此测量仪可以同 时应用到多个领域，如：工业、建筑、农业等领域。

为避免上位机数据丢失的时候，检测的数据丢失，系统设计数据存储模块以保证数据的安全性。如图6所示，本系统主要采用工业级SST25VF032B串行闪存，此芯片采用四线、兼容SPI的接口。SST25VF032B器件是增强型器件，与一般的存储器件相比，提高了工作频率并降低了功耗。SST25VF032B SPI串行闪存采用SST专有的高性能CMOS技术制造。与其他方法相比，分离栅极单元设计和厚氧化层隧穿注入器可实现更高的可靠性和可制造性。对于SST25VF032B，技术的编程电流更低、擦除时间更短。因此，在任何擦除或编程操作期间消耗的总能量低于其他闪存技术。

载波模块与微处理器通过串口连接进行数据通信，载波模块采用福星晓程GWD-M100单相载波模块，此载波为同步通信方式，CRC校验，载波中心频率为120KHz，调制方式为DBPSK。载波模块与微处理器通过串口连接进行数据通信，另外还有IO口线直连实现事件的触发和设置。载波发送环境数据信号通过模块耦合到电力线，接收信号通过模块解耦，整个过程实现数据的收发。载波模块内部包含数据处理主芯片，发送和接收配置线路，通过变压器线圈实现与电力线的耦合，主芯片是载波的收发处理芯片，与微处理器之间串行通信。

图7为该测量仪的测量流程图，实际应用过程中，为了保证微处理器的软硬件处于正常工作状态，在执行初始化操作之前会有一段系统延时，确保各个模块处于正常起始状态，并且在系统运行过程中，程序会不断的检测软件是否工作正常，若发现软件运行不正常，程序会自动进行复位；数据采集与处理，系统会对环境测量，分别采集CO₂浓度值、温湿度、PM2.5和PM10含量；数据存储，对环境参数测量完之后，把各个数据参数存入flash中；数据传输，将处理后的环境数据进行组帧，组帧格式严格按照DL/T645协议，等待接收上位机下发的数据发送命令，将包含有环境数据的完整帧传输至上位机。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。