CN203941615U - 基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置；属于农业灌溉监控技术领域；其技术要点包括主控制器和与主控制器连接的若干终端控制器，终端控制器与外部传感器和供水管上的电磁阀连接，其中所述主控制器和若干终端控制器通过24V低压电力线连接，在主控制器内设有工频低压变压器，工频低压变压器分别与外部市电和24V低压电力线连接；在主控制器和终端控制器内均设有电力线载波通信接口电路，所述电力线载波通信接口电路由功率放大电路、选频电路、过零检测电路和信号耦合电路组成；本实用新型旨在提供一种结构合理、安装方便、使用成本低且使用安全的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置；用于农业灌溉监控。

Description

基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置

技术领域

本实用新型涉及一种农业灌溉监控装置，更具体地说，尤其涉及一种基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置。

背景技术

在现今的农业灌溉监控领域中，采用传统方式存在自动化程度不高的缺点，采用自动化控制及通信，则存在布线复杂，成本较高的问题。现有常见的自动灌溉监控技术方案有以下两种：一种是基于无线通信的灌溉控制方式。基本原理是：通过无线模块与远程控制单元之间的数据通信，实现数据共享，通过pc 端可以对农田情况进行监测与控制。另一种是基于220V电力线通信的灌溉控制方式。基本原理是：以交流220V电力线为通信线实现对农田灌溉的控制。前一种方案的缺点是无线通信容易受外界因素干扰，造成通信不稳定，从而直接影响整个系统的正常工作。后一种方案的最大缺点是使用了220V电压，对人造成了安全隐患。

低压电力线载波通信是以低压输电线路为载波信号的传输媒介，把系统的供电和通信线路统一到一起，实现通信的技术。输电线输送工频电流的同时，用来传送载波信号，既经济又十分可靠。这种综合利用早已成为世界上所有电力部门优先采用的特有通信手段。

发明内容

本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构合理、安装方便、使用成本低且使用安全的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，包括主控制器和与主控制器连接的若干终端控制器，终端控制器与外部传感器和供水管上的电磁阀连接，其中所述主控制器和若干终端控制器通过24V低压电力线连接，在主控制器内设有工频低压变压器，工频低压变压器分别与外部市电和24V低压电力线连接；在主控制器和终端控制器内均设有电力线载波通信接口电路，所述电力线载波通信接口电路由功率放大电路、选频电路、过零检测电路和信号耦合电路组成，所述信号耦合电路与24V低压电力线连接，所述功率放大电路、选频电路、过零检测电路分别与信号耦合电路和对应控制器内的微处理器连接。

上述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装中，所述主控制器表面还设有触摸屏，触摸屏与主控制器内的微处理器连接。

上述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装中，所述功率放大电路主要由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q4、电阻R4、电阻R10、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、二极管D5、二极管D6和电容C16组成，三极管Q2的基极与电阻R14连接后与外部微处理器的信号输出端连接，电阻R15其中一端连接在电阻R14和三极管Q2基极之间，电阻R16其中一端与三极管Q2发射极连接，电阻R15和电阻R16另一端并联后与三极管Q4的集电极连接；三极管Q2的集电极依序串联二极管D6、二极管D5及电阻R4后与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极连接在二极管D5的正极和电阻R4之间，三极管Q4的基极连接在三极管Q2的集电极和二极管D6的负极之间；电阻R10和电阻R13串联在三极管Q1的发射极和三极管Q4的发射极之间，电容C16一端连接在电阻R10和电阻R13之间，另一端与外部信号耦合电路连接。

上述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装中，所述功率放大电路还包括二极管D2和二极管D7，二极管D2和二极管D7一端与电容C16并联，另一端分别与三极管Q1集电极和三极管Q4集电极连接。

上述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装中，所述选频电路由依序连接的电容C11、电感线圈L1、电容C12和电阻R6以及相互并联的钳位二极管D3、钳位二极管D4、电容C10和电感线圈L2组成；钳位二极管D3的正极、钳位二极管D4的负极、电容C10的其中一端和电感线圈L2的其中一端分别连接在电容C11和电感线圈L1之间的电路上，钳位二极管D3的负极、钳位二极管D4的正极、电容C10的另一端和电感线圈L2的另一端并联后接地。

上述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装中，所述过零检测电路由光电耦合器U2、三极管Q3、二极管D8、稳压二极管D1、电容C13、电容C14、电容C15、电容C17、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R12组成；光电耦合器U2中的发光二极管负极与三极管Q3集电极连接，电阻R7、电阻R11、电阻R12和二极管D8依序串联在信号耦合电路的输出端两根24V交流线上，三极管Q3的基极连接在电阻R12和二极管D8之间；电阻R9、电容C13和电阻R5串联在光电耦合器U2中的发光二极管正极与信号耦合电路的一根24V交流线之间；电容C14、电容C15、隧道二极管D1其中一端分别连接在电阻R9和电容C13之间，另一端并联后连接在三极管Q3发射极和信号耦合电路的另一根24V交流线上；电容C17其中一端与光电耦合器U2中光敏三极管的发射极并联接地，电容C17另一端与INT1端连接，光电耦合器U2中光敏三极管的集电极与电阻R8的其中一端并联后与INT1端连接，电阻R8的另一端与VCC端连接。

上述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装中，所述信号耦合电路由耦合变压器T1、瞬态抑制二极管TVS1、电容C1、电阻R1、压敏电阻RAV1和可恢复保险丝PTC1组成；瞬态抑制二极管TVS1连接在耦合变压器T1初级线圈两端；电容C1和可恢复保险丝PTC1分别连接在与耦合变压器T1次级线圈连接的一根交流24V电力线，电阻R1和压敏电阻RAV1并联一端接在电容C1和可恢复保险丝PTC1之间，另一端接在交流24V电力线的另一根电线上。上述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装中，所述主控制器和终端控制器内的微处理器型号均为SH99F01；在主控制器和终端控制器内的微处理器与24V低压电力线之间设有低压电源电路。

本实用新型采用上述结构后，首先通过工频低压变压器将市电转换为安全的24V低压，确保使用的安全性；同时，采用由功率放大电路、选频电路、过零检测电路和信号耦合电路组成的电力线载波通信接口电路用于信号的传输。该通信方式采用直接序列扩频调制技术，具有抗干扰性能较好，环境适应性强的优点。同时，由于通信信号和整个系统电源均来自交流24V低压电力线，布线简单方便，并且保证了使用安全，载波通信距离远，传输误码率低。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不构成对本实用新型的任何限制。

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型电力线载波通信接口电路的电路结构方框图；

图3是本实用新型的电路结构方框图；

图4是本实用新型功率放大电路的电路结构图；

图5是本实用新型选频电路的电路结构图；

图6是本实用新型过零检测电路的电路结构图；

图7是本实用新型信号耦合电路的电路结构图。

具体实施方式

参阅图1至图3所示，本实用新型的一种基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，包括主控制器1和与主控制器1连接的若干终端控制器2，终端控制器2与外部传感器和供水管上的电磁阀连接，所述主控制器1和若干终端控制器2通过24V低压电力线3连接，在主控制器1内设有工频低压变压器4，工频低压变压器4分别与外部市电和24V低压电力线3连接；在主控制器1和终端控制器2内均设有电力线载波通信接口电路，所述电力线载波通信接口电路由功率放大电路5、选频电路6、过零检测电路7和信号耦合电路8组成，所述信号耦合电路8与24V低压电力线3连接，所述功率放大电路5、选频电路6、过零检测电路7分别与信号耦合电路8和对应控制器内的微处理器连接。同时，为了方便用户进行操作，同时可直接地监控整个农田的环境和灌溉情况，在主控制器1表面还设有触摸屏9，触摸屏9与主控制器1内的微处理器连接。触摸屏9接收到外界命令通过主控制器1内的电力线载波通信接口电路将信息传到终端控制器2中的电力线载波通信接口电路，终端控制器2中的微处理器随即控制电磁阀门做出开关动作，同时把农田的相关数据发送给主控制器。系统中的VHH电源为12V开关电源，VCC为12V开关电源线性稳压后给系统供电的5V电源，系统供电来自通信线路本身。

本实施例中使用触摸屏9的型号为天嵌公司生产的TQ210。主控制器1和终端控制器2内的微处理器型号均为SH99F01；在主控制器1和终端控制器2内的微处理器与24V低压电力线3之间连接有低压电源电路10。低压电源电路10为以开关电源和78M05稳压器为主的低压电源电路，首先将24V交流电经开关电源后得到12V直流电压，在经过78M05稳压到5V给微处理器使用。

具体地，在本实施例中，参阅图4所示，所述功率放大电路5主要由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q4、电阻R4、电阻R10、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、二极管D5、二极管D6和电容C16组成，三极管Q2的基极与电阻R14连接后与外部微处理器的信号输出端连接，电阻R15其中一端连接在电阻R14和三极管Q2基极之间，电阻R16其中一端与三极管Q2发射极连接，电阻R15和电阻R16另一端并联后与三极管Q4的集电极连接；三极管Q2的集电极依序串联二极管D6、二极管D5及电阻R4后与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极连接在二极管D5的正极和电阻R4之间，三极管Q4的基极连接在三极管Q2的集电极和二极管D6的负极之间；电阻R10和电阻R13串联在三极管Q1的发射极和三极管Q4的发射极之间，电容C16一端连接在电阻R10和电阻R13之间，另一端与外部信号耦合电路8连接。其中三极管Q2，电阻R4,电阻R14，电阻R15，电阻R16组成功率放大的前级放大，三极管接成共射放大形式，起到放大电压信号的作用。其中电阻R14，电阻R15为放大电路提供合适的静态工作点，改变电阻R4，电阻R16的值可改变放大后信号的幅值。三极管Q1，三极管Q4, 电阻R10，电阻R13，二极管D5，二极管D6组成功率放大的后级放大，起到放大电流的作用，二极管D5，二极管D6的作用是对开关失真进行修正，晶体管的基级-发射极间电压VBE用二极管的正向压降进行抵销，进而来消除开关失真。电阻R10，电阻R13可防止因空载电流而导致的热击穿。C16是输出耦合电容，让有用的交流信号输出，隔离无用的直流成分。

进一步地，所述功率放大电路5还包括二极管D2和二极管D7，二极管D2和二极管D7一端与电容C16并联，另一端分别与三极管Q1集电极和三极管Q4集电极连接。二极管D2和二极管D7主要起到保护电路的作用。

参阅图5所示，选频电路6由依序连接的电容C11、电感线圈L1、电容C12和电阻R6以及相互并联的钳位二极管D3、钳位二极管D4、电容C10和电感线圈L2组成；钳位二极管D3的正极、钳位二极管D4的负极、电容C10的其中一端和电感线圈L2的其中一端分别连接在电容C11和电感线圈L1之间的电路上，钳位二极管D3的负极、钳位二极管D4的正极、电容C10的另一端和电感线圈L2的另一端并联后接地。其中电感线圈L1，电容C12组成串联谐振电路，串联回路谐振时，电感器和电容器的端电压均达到最大值，故又称串联谐振为电压谐振。电容C10，电感线圈L2，组成LC并联谐振电路，当并联回路谐振时，流过其电抗支路的电流比激励电流大Q倍，故并联谐振又称为电流谐振。谐振电路的计算公式为                                                。D3，D4为钳位二极管，将保证输入单片机的载波信号不会超过-0.7V~+0.7V。

参阅图6所示，过零检测电路7由光电耦合器U2、三极管Q3、二极管D8、稳压二极管D1、电容C13、电容C14、电容C15、电容C17、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R12组成；光电耦合器U2中的发光二极管负极与三极管Q3集电极连接，电阻R7、电阻R11、电阻R12和二极管D8依序串联在信号耦合电路的输出端两根24V交流线上，三极管Q3R的基极连接在电阻R12和二极管D8之间；电阻R9、电容C13和电阻R5串联在光电耦合器U2中的发光二极管正极与信号耦合电路的一根24V交流线之间；电容C14、电容C15、隧道二极管D1其中一端分别连接在电阻R9和电容C13之间，另一端并联后连接在三极管Q3发射极和信号耦合电路的一根24V交流线上；电容C17其中一端与光电耦合器U2中光敏三极管的发射极并联接地，电容C17另一端与INT1端连接，光电耦合器U2中光敏三极管的集电极与电阻R8的其中一端并联后与INT1端连接，电阻R8的另一端与VCC端连接。当交流电压上半波在直流电源正负AC+端时二极管D8反偏截止，三极管Q3不导通，INT1端输出高电平，当交流电压上半波在直流电源负极AC-端时二极管D8正偏导通，三极管Q3导通，发光二极管工作， INT1端输出低电平，所以INT1就可输出跟交流电压同频率的矩形波供单片机检测。

参阅图7所示，信号耦合电路8由耦合变压器T1、瞬态抑制二极管TVS1、电容C1、电阻R1、压敏电阻RAV1和可恢复保险丝PTC1组成；瞬态抑制二极管TVS1连接在耦合变压器T1初级线圈两端；电容C1和可恢复保险丝PTC1分别连接在与耦合变压器T1次级线圈连接的一根交流24V电力线，电阻R1和压敏电阻RAV1并联一端接在电容C1和可恢复保险丝PTC1之间，另一端接在交流24V电力线的另一根电线上。信号耦合电路8由变压器耦合，保护，滤波三部分组成。耦合变压器T1的匝比为1:1，原边匝数计算公式为N≥U/(Ae*f（Bs-Br）)，其中Bs=0.3T ，Ae为有效截面积 ，f为频率  Br为剩磁 ，U为原边电压，N为原边匝数。电容C1，电阻R1组成高通滤波器，频率可由公式1/（2*πRC）计算。瞬态抑制二极管TVS1是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。压敏电阻RAV1当加在它上面的电压低于它的阈值"UN"时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，它的阻值变小，这样就使得流过它的电流激增而对其他电路的影响变化不大从而减小过电压对后续电路的影响。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。可恢复保险丝PTC1串接在电路中，正常情况下，呈低阻状态，保证电路正常工作，当电路发生短路或窜入异常大电流时，元件的自热使其阻抗增加，把电流限制到足够小，起到过电流保护作用。同时当外界环境温度急升时，环境到达产品开关温度后，可起到过温保护作用。

以上所举实施例为本实用新型的较佳实施方式，仅用来方便说明本实用新型，并非对本实用新型作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本实用新型所提技术特征的范围内，利用本实用新型所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本实用新型的技术特征内容，均仍属于本实用新型技术特征的范围内。

Claims (8)

1.一种基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，包括主控制器（1）和与主控制器（1）连接的若干终端控制器（2），终端控制器（2）与外部传感器和供水管上的电磁阀连接，其特征在于，所述主控制器（1）和若干终端控制器（2）通过24V低压电力线（3）连接，在主控制器（1）内设有工频低压变压器（4），工频低压变压器（4）分别与外部市电和24V低压电力线（3）连接；在主控制器（1）和终端控制器（2）内均设有电力线载波通信接口电路，所述电力线载波通信接口电路由功率放大电路（5）、选频电路（6）、过零检测电路（7）和信号耦合电路（8）组成，所述信号耦合电路（8）与24V低压电力线（3）连接，所述功率放大电路（5）、选频电路（6）、过零检测电路（7）分别与信号耦合电路（8）和对应控制器内的微处理器连接。

2.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，其特征在于，所述主控制器（1）表面还设有触摸屏（9），触摸屏（9）与主控制器（1）内的微处理器连接。

3.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，其特征在于，所述功率放大电路（5）主要由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q4、电阻R4、电阻R10、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、二极管D5、二极管D6和电容C16组成，三极管Q2的基极与电阻R14连接后与外部微处理器的信号输出端连接，电阻R15其中一端连接在电阻R14和三极管Q2基极之间，电阻R16其中一端与三极管Q2发射极连接，电阻R15和电阻R16另一端相联后与三极管Q4的集电极连接；三极管Q2的集电极依序串联二极管D6、二极管D5及电阻R4后与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极连接在二极管D5的正极和电阻R4之间，三极管Q4的基极连接在三极管Q2的集电极和二极管D6的负极之间；电阻R10和电阻R13串联在三极管Q1的发射极和三极管Q4的发射极之间，电容C16一端连接在电阻R10和电阻R13之间，另一端与外部信号耦合电路（8）连接。

4.根据权利要求3所述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，其特征在于，所述功率放大电路（5）还包括二极管D2和二极管D7，二极管D2和二极管D7一端与电容C16相联，另一端分别与三极管Q1集电极和三极管Q4集电极连接。

5.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，其特征在于，所述选频电路（6）由依序连接的电容C11、电感线圈L1、电容C12和电阻R6以及相互并联的钳位二极管D3、钳位二极管D4、电容C10和电感线圈L2组成；钳位二极管D3的正极、钳位二极管D4的负极、电容C10的其中一端和电感线圈L2的其中一端分别连接在电容C11和电感线圈L1之间的电路上，钳位二极管D3的负极、钳位二极管D4的正极、电容C10的另一端和电感线圈L2的另一端相联后接地。

6.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，其特征在于，所述过零检测电路（7）由光电耦合器U2、三极管Q3、二极管D8、稳压二极管D1、电容C13、电容C14、电容C15、电容C17、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R12组成；光电耦合器U2中的发光二极管负极与三极管Q3集电极连接，电阻R7、电阻R11、电阻R12和二极管D8依序串联在信号耦合电路的输出端两根24V交流线上，三极管Q3的基极连接在电阻R12和二极管D8之间；电阻R9、电容C13和电阻R5串联在光电耦合器U2中的发光二极管正极与信号耦合电路的一根24V交流线之间；电容C14、电容C15、稳压二极管D1其中一端分别连接在电阻R9和电容C13之间，另一端相联后连接在三极管Q3发射极和信号                    耦合电路的另一根24V交流线上；电容C17其中一端与光电耦合器U2中光敏三极管的发射极并联接地，电容C17另一端与INT1端连接，光电耦合器U2中光敏三极管的集电极与电阻R8的其中一端并联后与INT1端连接，电阻R8的另一端与VCC端连接。

7.根据权利要求1所述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，其特征在于，所述信号耦合电路（8）由耦合变压器T1、瞬态抑制二极管TVS1、电容C1、电阻R1、压敏电阻RAV1和可恢复保险丝PTC1组成；瞬态抑制二极管TVS1连接在耦合变压器T1初级线圈两端；电容C1和可恢复保险丝PTC1分别连接在与耦合变压器T1次级线圈连接的一根交流24V电力线，电阻R1和压敏电阻RAV1并联一端接在电容C1和可恢复保险丝PTC1之间，另一端接在交流24V电力线的另一根电线上。

8.根据权利要求1至7任一所述的基于电力线载波通信的农业灌溉监控装置，其特征在于，所述主控制器（1）和终端控制器（2）内的微处理器型号均为SH99F01；在主控制器（1）和终端控制器（2）内的微处理器与24V低压电力线（3）之间设有低压电源电路（10）。