基于電力線載波通信的樓宇公共照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用電力線載波通信技術(shù)在原有照明供電線路基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了樓宇公共照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、施工方便，不需要布線和線路改造，只對(duì)原有照明控制開關(guān)進(jìn)行改進(jìn)，具有自動(dòng)定時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路上所有照明設(shè)備的監(jiān)控?？刂平K端不僅能替代原有控制開關(guān)，而且還可以對(duì)照明燈泡是否出現(xiàn)故障進(jìn)行檢測(cè)，并及時(shí)上報(bào)故障信息。
關(guān)鍵詞：公共照明；電力線載波通信；遠(yuǎn)程監(jiān)控；控制終端

0 引言
    樓宇公共照明是指建筑內(nèi)樓道、走廊、車庫以及室外亮化等公共電力照明系統(tǒng)，公共照明系統(tǒng)的監(jiān)控是智能樓宇的重要組成部分，合理地設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)可以有效地降低能耗，在許多新建大型建筑中得到應(yīng)用。但是目前多數(shù)建筑中仍采用傳統(tǒng)的手動(dòng)開關(guān)的照明控制方式，管理方式落后，容易造成能源浪費(fèi)，可以在原有供電系統(tǒng)上設(shè)計(jì)獨(dú)立的智能照明控制系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的照明控制方式，更科學(xué)、有效地管理照明用電。文獻(xiàn)表明，許多研究人員在照明智能控制系統(tǒng)領(lǐng)域做了很多工作，有采用C-Bus總線和CAN總線的控制系統(tǒng)，也有采用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等無線傳輸模塊的控制系統(tǒng)。有線控制方式可以保證監(jiān)控信號(hào)的可靠傳輸，但系統(tǒng)需要單獨(dú)布線，安裝不方便，無線
數(shù)據(jù)傳輸避免了布線，但需要設(shè)計(jì)、安裝無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。利用電力線載波通信可以借助傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的供電線路作為通信信道，不需要重新布線，只要在照明燈具上安裝控制終端即可，安裝控制方便，是照明系統(tǒng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

1 照明監(jiān)控系統(tǒng)的組成
    電力線載波通信技術(shù)，是利用電力線傳送數(shù)據(jù)的一種通信方式，最初的應(yīng)用主要集中在高壓遠(yuǎn)距離輸電線路上，隨著技術(shù)的發(fā)展，在中、低壓配電網(wǎng)線路中也得到了廣泛應(yīng)用。樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)中的電力線通信是一種低壓電力載波窄帶通信技術(shù)，就是借助已經(jīng)布好的建筑照明低壓供電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的一種方式。

    系統(tǒng)由中心監(jiān)控站和控制終端組成，它們都通過電力載波調(diào)制解調(diào)器與電力線相連，中心監(jiān)控站可以安裝在樓宇配電控制室內(nèi)或值班室內(nèi)，通過電力線向安裝在供電線路上的控制終端發(fā)送控制命令，控制終端安裝在受控照明燈具附近，實(shí)時(shí)接收中心控制站發(fā)出的命令，完成對(duì)照明燈的開關(guān)控制，同時(shí)檢測(cè)照明燈的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 電力線載波通信模塊
    目前用于電力線通信的芯片有很多，意法半導(dǎo)體(ST)公司的ST7538電力線收發(fā)器憑借其較好的性能，在小數(shù)據(jù)量低速數(shù)據(jù)傳輸方面得到了廣泛應(yīng)用，可用于大規(guī)模的自動(dòng)讀表系統(tǒng)和家庭、樓宇的自動(dòng)化解決方案中。ST7538是一種半雙工、同步／異步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片，內(nèi)部集成了電力線驅(qū)動(dòng)接口，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，只要通過耦合變壓器等少量外圍器件即可連接到電力網(wǎng)中，通過串行可以方便地與微處理器相連接。芯片具有八種載波頻率和四種通信速率，可以通過編程進(jìn)行選擇，同時(shí)芯片還具有載波偵測(cè)、看門狗、過零檢測(cè)、溫度保護(hù)等功能。

    電力線載波通信模塊主要電路組成如圖2所示，單片機(jī)通過串口與ST7538進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。設(shè)計(jì)中采用異步串口通信方式，不對(duì)控制寄存器進(jìn)行操作，ST7538的UART／SPI管腳接高電平，REG DATA管腳接低電平，系統(tǒng)工作在132．5kHz調(diào)制頻率信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為2400bit／s。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先判斷載波監(jiān)聽信號(hào)管腳CD／PD，該管腳為高電平時(shí)說明信道中沒有數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，然后通過I／O端口使RxTx引腳為低電平，數(shù)據(jù)以設(shè)定的波特率通過TXD傳輸給ST7538處理器，發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制、濾波和差分放大后，由引腳ATOP1、ATOP2通過電力線接口電路發(fā)送到電力線上。由于其內(nèi)部集成了電力線驅(qū)動(dòng)接口，外圍電路設(shè)計(jì)比較簡單，由電容、電感、電阻構(gòu)成的二階帶通濾波電路和1：1隔離變壓器組成，元件的參數(shù)設(shè)計(jì)需根據(jù)選擇的信道頻率確定。隔離變壓器的輸出端一端接在供電線路的零線N上，一端通過電感和X2安規(guī)電容構(gòu)成的濾波電路接在火線L上，圖中虛線框內(nèi)的耦合電路是將信號(hào)發(fā)送到三相供電線路中，只應(yīng)用在中心監(jiān)控站。通過電力線傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)通過耦合濾波電路由模擬輸入端RAI管腳進(jìn)入ST7538，通過濾波、解調(diào)等處理后形成串行數(shù)字信號(hào)由RXD管腳將信號(hào)送入單片機(jī)串口接收端。
2．2 中心監(jiān)控站模塊
    中心監(jiān)控站單片機(jī)選擇了帶雙串口接口的STC單片機(jī)STC12C5A08S2，外圍模塊主要由時(shí)鐘芯片、電力線通信模塊、與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信的電平轉(zhuǎn)換接口模塊。系統(tǒng)中心監(jiān)控站需根據(jù)時(shí)間信息向控制終端發(fā)送控制命令，DS12C887時(shí)鐘芯片具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，而且片上帶有128字節(jié)RAM，其中113字節(jié)可以作為單片機(jī)的外部存儲(chǔ)器使用，芯片自帶鋰電池，掉電時(shí)內(nèi)部RAM信息不丟失，時(shí)鐘能正常工作。單片機(jī)P0口與DS12C887的地址數(shù)據(jù)端口相連，通過Intel數(shù)據(jù)總線的方式對(duì)DS12C887中的RAM進(jìn)行讀寫操作，包括工作模式設(shè)定、時(shí)間信息設(shè)定、鬧鐘時(shí)間設(shè)定以及其他數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)等。時(shí)鐘芯片的中斷請(qǐng)求輸出端連接到單片機(jī)P3．2管腳(外部中斷0)，單片機(jī)通過設(shè)定鬧鐘時(shí)間，利用時(shí)鐘中斷的方式向控制終端發(fā)出開關(guān)照明設(shè)備命令。每天的開關(guān)時(shí)間信息存儲(chǔ)在掉電不丟失的時(shí)鐘芯片內(nèi)部RAM中。單片機(jī)具有雙串口結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)串口及P1．6、P1．7與電力線通信模塊連接完成電力線載波通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，另外一個(gè)串口通過RS232電平轉(zhuǎn)換芯片與中心管理站的電腦相連，通過串口與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2．3 照明控制終端模塊
    照明終端監(jiān)控電路由電力載波通信模塊、工作電流檢測(cè)模塊、開關(guān)控制模塊和控制按鍵及工作狀態(tài)指示電路等幾部分組成，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。處理器選用了AT89C2051單片機(jī)，其串口和I／O端口P1．6、P1．7與電力線載波通信模塊相連，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。單片機(jī)系統(tǒng)通過電流互感器檢測(cè)照明線路中工作狀態(tài)下的電流，可以判斷照明燈具是否出現(xiàn)損壞等故障。電流互感器的變比為1000：1，工作時(shí)輸出的電流比較小，先通過集成運(yùn)放1進(jìn)行信號(hào)放大及電流電壓轉(zhuǎn)換，集成運(yùn)放2和集成運(yùn)放3組成精密整流電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流，再通過電容濾波得到一個(gè)直流電壓信號(hào)，連接到單片機(jī)的P1．0管腳，利用單片機(jī)內(nèi)部比較器，與P1．1管腳設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較，P3．6是比較器的輸出端，比較結(jié)果可以反映照明燈具是否正常工作。電路中電阻R的參數(shù)設(shè)定需根據(jù)照明燈具的功率來確定，照明燈具功率在40～100W范圍時(shí)，電阻R可以選取6．8k的電阻，閾值電壓可以設(shè)為1．2V，當(dāng)照明燈正常工作時(shí)比較器輸出高電平。

    單片機(jī)通過P1．4輸出低電平使控制繼電器閉合，對(duì)照明燈實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。電路中還設(shè)計(jì)了一個(gè)人工應(yīng)急開關(guān)按鈕，當(dāng)按下SW鍵時(shí)，可以使開關(guān)閉合一段時(shí)間后再斷開，具體時(shí)間通過軟件編程設(shè)定。TEST按鈕用于安裝測(cè)試，按下時(shí)控制終端會(huì)發(fā)出鏈路檢查請(qǐng)求，若與中心監(jiān)控站通信鏈路正常，則P1．3輸出低電平，點(diǎn)亮發(fā)光二極管LED1。同時(shí)也測(cè)試控制電路工作功能，P1．4輸出低電平打開照明燈，檢查照明線路工作電流信號(hào)是否正常，若沒有檢測(cè)到工作電流，燈泡可能已損壞，P1．2輸出低電平，故障指示燈LED2亮。可以在安裝燈泡和不安裝的情況下進(jìn)行測(cè)試，檢查系統(tǒng)是否正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)、照明燈具開關(guān)控制及工作狀態(tài)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)管理和控制軟件系統(tǒng)。中心監(jiān)控站和控制終端之間通過電力線載波進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，考慮到電力線信道動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)通信采用應(yīng)答方式和超時(shí)重發(fā)機(jī)制。中心監(jiān)控站和每個(gè)控制終端都有一個(gè)唯一的16位地址編碼(ID)，數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)依賴這個(gè)地址編碼確定發(fā)送端和接收端。中心監(jiān)控站向控制終端發(fā)送命令時(shí)，將需要發(fā)送的信息按照規(guī)定的格式進(jìn)行封裝，形成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    數(shù)據(jù)幀包含目的地址和源地址，控制終端通過獲取數(shù)據(jù)幀的目的地址判斷是否接收數(shù)據(jù)和響應(yīng)。幀長度表示該字節(jié)后到校驗(yàn)碼數(shù)據(jù)針對(duì)長度，用于接收端判斷并接收完整的數(shù)據(jù)幀。目的地址和源地址都分別重發(fā)一次用于接收端校驗(yàn)判斷，自幀長度之后的字節(jié)通過循環(huán)冗余校驗(yàn)產(chǎn)生校驗(yàn)碼，接收端通過校驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)幀是否傳輸正確?？刂谱譃閷?shí)現(xiàn)不同功能規(guī)定了不同的命令字，數(shù)據(jù)段是不同命令所帶的數(shù)據(jù)信息。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽浚l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)利用ST7538的載波監(jiān)聽功能，在電力線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前和發(fā)送完數(shù)據(jù)幀之后多發(fā)幾個(gè)字節(jié)可以提高通信的成功率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在一個(gè)樓宇內(nèi)中心監(jiān)控站和控制終端之間的電力載波通信都能實(shí)現(xiàn)。通過軟件設(shè)計(jì)控制終端可以具備中繼站的功能，如果存在數(shù)據(jù)傳輸成功率低的問題，可以采用中繼的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)樓宇照明系統(tǒng)的監(jiān)控。
    在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的控制管理軟件通過計(jì)算機(jī)的串口與中心監(jiān)控站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)開關(guān)燈時(shí)間信息設(shè)定、中心監(jiān)控站校時(shí)、照明系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)、對(duì)每個(gè)照明燈的單獨(dú)控制等功能。對(duì)樓宇公共照明系統(tǒng)可以統(tǒng)一設(shè)定開關(guān)時(shí)間，也可以根據(jù)具體需要分區(qū)域分別設(shè)定開關(guān)時(shí)間。計(jì)算機(jī)只有在對(duì)控制參數(shù)設(shè)定和照明系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)才與中心監(jiān)控站進(jìn)行聯(lián)機(jī)通信，一般情況下中心監(jiān)控站根據(jù)設(shè)定的控制參數(shù)獨(dú)立運(yùn)行，完成對(duì)公共照明系統(tǒng)的監(jiān)控。通過計(jì)算機(jī)管理軟件設(shè)定的參數(shù)保存在掉電不丟失的時(shí)鐘芯片RAM中，中心監(jiān)控站根據(jù)開關(guān)時(shí)間信息參數(shù)，設(shè)置時(shí)鐘芯片的鬧鐘時(shí)間，利用鬧鐘中斷的方式對(duì)公共照明系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)控制，可以發(fā)生廣播命令統(tǒng)一控制，也可以分樓層、分區(qū)域分別控制，以及對(duì)每個(gè)照明設(shè)備單獨(dú)控制。當(dāng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)時(shí)，根據(jù)控制管理軟件發(fā)出的命令，將包含命令信息的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到三相供電線路上，并接收控制終端的反饋信息，轉(zhuǎn)發(fā)給管理控制軟件。
    控制終端通過電力線接受中心監(jiān)控站發(fā)出的控制命令，對(duì)照明燈具進(jìn)行開關(guān)控制和工作狀態(tài)檢測(cè)。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。系統(tǒng)安裝后可以通過測(cè)試鍵檢查照明線路和通信信道是否正常，正常工作時(shí)可以通過開關(guān)按鍵，短時(shí)間打開照明燈，這個(gè)功能可以在非規(guī)定照明時(shí)間應(yīng)急使用。數(shù)據(jù)接收采用串口中斷的方式，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)存儲(chǔ)器，主程序讀取存儲(chǔ)器分析接收到的數(shù)據(jù)?？刂平K端可以接收發(fā)給本站的命令信息，也可以接收廣播地址的命令信息。通過分析接收到的數(shù)據(jù)幀中的命令字，控制終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的開關(guān)控制、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和通信鏈路檢查等功能?？刂贫送瓿上嚓P(guān)操作后要發(fā)送反饋信息，其中包含當(dāng)前電路的工作狀態(tài)和故障標(biāo)志等信息。如果接收到的是統(tǒng)一開關(guān)等廣播命令信息，終端控制站只完成控制功能，不反饋信息。

4 結(jié)束語
    在樓宇原有照明線路的基礎(chǔ)上，只對(duì)照明開關(guān)設(shè)備做簡單升級(jí)改造，利用電力線載波通信實(shí)現(xiàn)了樓宇公共照明系統(tǒng)的監(jiān)控，避免了長明燈，節(jié)約了能源，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。照明控制功能還可以進(jìn)行擴(kuò)展，比如與常用的聲光控制、紅外控制等其他控制方法相結(jié)合，可進(jìn)一步減少照明能耗。如果照明系統(tǒng)是LED新型照明燈具，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)燈光亮度的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)系統(tǒng)的控制對(duì)象還可以擴(kuò)展到其他連接在電力線上的用電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程智能管理。