基于電力線(xiàn)載波通信的樓宇公共照明監控系統設計

摘要：利用電力線(xiàn)載波通信技術(shù)在原有照明供電線(xiàn)路基礎上實(shí)現了樓宇公共照明系統的遠程監控。系統設計簡(jiǎn)單、施工方便，不需要布線(xiàn)和線(xiàn)路改造，只對原有照明控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行改進(jìn)，具有自動(dòng)定時(shí)監控和實(shí)時(shí)控制功能，實(shí)現對線(xiàn)路上所有照明設備的監控?？刂平K端不僅能替代原有控制開(kāi)關(guān)，而且還可以對照明燈泡是否出現故障進(jìn)行檢測，并及時(shí)上報故障信息。
關(guān)鍵詞：公共照明；電力線(xiàn)載波通信；遠程監控；控制終端

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

1 照明監控系統的組成
電力線(xiàn)載波通信技術(shù)，是利用電力線(xiàn)傳送數據的一種通信方式，最初的應用主要集中在高壓遠距離輸電線(xiàn)路上，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，在中、低壓配電網(wǎng)線(xiàn)路中也得到了廣泛應用。樓宇照明監控系統中的電力線(xiàn)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(xiàn)路進(jìn)行數據通信的一種方式。

系統由中心監控站和控制終端組成，它們都通過(guò)電力載波調制解調器與電力線(xiàn)相連，中心監控站可以安裝在樓宇配電控制室內或值班室內，通過(guò)電力線(xiàn)向安裝在供電線(xiàn)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，完成對照明燈的開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)檢測照明燈的工作狀態(tài)。

2 系統硬件設計
2．1 電力線(xiàn)載波通信模塊
目前用于電力線(xiàn)通信的芯片有很多，意法半導體(ST)公司的ST7538電力線(xiàn)收發(fā)器憑借其較好的性能，在小數據量低速數據傳輸方面得到了廣泛應用，可用于大規模的自動(dòng)讀表系統和家庭、樓宇的自動(dòng)化解決方案中。ST7538是一種半雙工、同步／異步FSK調制解調器芯片，內部集成了電力線(xiàn)驅動(dòng)接口，具有發(fā)送和接收數據的所有功能，只要通過(guò)耦合變壓器等少量外圍器件即可連接到電力網(wǎng)中，通過(guò)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(guò)編程進(jìn)行選擇，同時(shí)芯片還具有載波偵測、看門(mén)狗、過(guò)零檢測、溫度保護等功能。

電力線(xiàn)載波通信模塊主要電路組成如圖2所示，單片機通過(guò)串口與ST7538進(jìn)行數據交換，完成數據的發(fā)送和接收。設計中采用異步串口通信方式，不對控制寄存器進(jìn)行操作，ST7538的UART／SPI管腳接高電平，REG DATA管腳接低電平，系統工作在132．5kHz調制頻率信道，數據傳輸速率為2400bit／s。發(fā)送數據時(shí)首先判斷載波監聽(tīng)信號管腳CD／PD，該管腳為高電平時(shí)說(shuō)明信道中沒(méi)有數據進(jìn)行傳輸，然后通過(guò)I／O端口使RxTx引腳為低電平，數據以設定的波特率通過(guò)TXD傳輸給ST7538處理器，發(fā)送數據經(jīng)過(guò)調制、濾波和差分放大后，由引腳ATOP1、ATOP2通過(guò)電力線(xiàn)接口電路發(fā)送到電力線(xiàn)上。由于其內部集成了電力線(xiàn)驅動(dòng)接口，外圍電路設計比較簡(jiǎn)單，由電容、電感、電阻構成的二階帶通濾波電路和1：1隔離變壓器組成，元件的參數設計需根據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(xiàn)路的零線(xiàn)N上，一端通過(guò)電感和X2安規電容構成的濾波電路接在火線(xiàn)L上，圖中虛線(xiàn)框內的耦合電路是將信號發(fā)送到三相供電線(xiàn)路中，只應用在中心監控站。通過(guò)電力線(xiàn)傳輸的調制信號通過(guò)耦合濾波電路由模擬輸入端RAI管腳進(jìn)入ST7538，通過(guò)濾波、解調等處理后形成串行數字信號由RXD管腳將信號送入單片機串口接收端。
2．2 中心監控站模塊
中心監控站單片機選擇了帶雙串口接口的STC單片機STC12C5A08S2，外圍模塊主要由時(shí)鐘芯片、電力線(xiàn)通信模塊、與計算機進(jìn)行串口通信的電平轉換接口模塊。系統中心監控站需根據時(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RAM，其中113字節可以作為單片機的外部存儲器使用，芯片自帶鋰電池，掉電時(shí)內部RAM信息不丟失，時(shí)鐘能正常工作。單片機P0口與DS12C887的地址數據端口相連，通過(guò)Intel數據總線(xiàn)的方式對DS12C887中的RAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作，包括工作模式設定、時(shí)間信息設定、鬧鐘時(shí)間設定以及其他數據信息的存儲等。時(shí)鐘芯片的中斷請求輸出端連接到單片機P3．2管腳(外部中斷0)，單片機通過(guò)設定鬧鐘時(shí)間，利用時(shí)鐘中斷的方式向控制終端發(fā)出開(kāi)關(guān)照明設備命令。每天的開(kāi)關(guān)時(shí)間信息存儲在掉電不丟失的時(shí)鐘芯片內部RAM中。單片機具有雙串口結構，其中一個(gè)串口及P1．6、P1．7與電力線(xiàn)通信模塊連接完成電力線(xiàn)載波通信的數據發(fā)送和接收，另外一個(gè)串口通過(guò)RS232電平轉換芯片與中心管理站的電腦相連，通過(guò)串口與電腦進(jìn)行數據通信。

2．3 照明控制終端模塊
照明終端監控電路由電力載波通信模塊、工作電流檢測模塊、開(kāi)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，電路設計如圖4所示。處理器選用了AT89C2051單片機，其串口和I／O端口P1．6、P1．7與電力線(xiàn)載波通信模塊相連，完成數據的發(fā)送和接收。單片機系統通過(guò)電流互感器檢測照明線(xiàn)路中工作狀態(tài)下的電流，可以判斷照明燈具是否出現損壞等故障。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(guò)集成運放1進(jìn)行信號放大及電流電壓轉換，集成運放2和集成運放3組成精密整流電路對信號進(jìn)行整流，再通過(guò)電容濾波得到一個(gè)直流電壓信號，連接到單片機的P1．0管腳，利用單片機內部比較器，與P1．1管腳設定的閾值電壓進(jìn)行比較，P3．6是比較器的輸出端，比較結果可以反映照明燈具是否正常工作。電路中電阻R的參數設定需根據照明燈具的功率來(lái)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，閾值電壓可以設為1．2V，當照明燈正常工作時(shí)比較器輸出高電平。

單片機通過(guò)P1．4輸出低電平使控制繼電器閉合，對照明燈實(shí)現開(kāi)關(guān)控制。電路中還設計了一個(gè)人工應急開(kāi)關(guān)按鈕，當按下SW鍵時(shí)，可以使開(kāi)關(guān)閉合一段時(shí)間后再斷開(kāi)，具體時(shí)間通過(guò)軟件編程設定。TEST按鈕用于安裝測試，按下時(shí)控制終端會(huì )發(fā)出鏈路檢查請求，若與中心監控站通信鏈路正常，則P1．3輸出低電平，點(diǎn)亮發(fā)光二極管LED1。同時(shí)也測試控制電路工作功能，P1．4輸出低電平打開(kāi)照明燈，檢查照明線(xiàn)路工作電流信號是否正常，若沒(méi)有檢測到工作電流，燈泡可能已損壞，P1．2輸出低電平，故障指示燈LED2亮?？梢栽诎惭b燈泡和不安裝的情況下進(jìn)行測試，檢查系統是否正常工作。

3 系統軟件設計
系統軟件設計主要包括數據通信的實(shí)現、照明燈具開(kāi)關(guān)控制及工作狀態(tài)檢測的實(shí)現以及計算機管理和控制軟件系統。中心監控站和控制終端之間通過(guò)電力線(xiàn)載波進(jìn)行數據通信，考慮到電力線(xiàn)信道動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，數據通信采用應答方式和超時(shí)重發(fā)機制。中心監控站和每個(gè)控制終端都有一個(gè)唯一的16位地址編碼(ID)，數據在傳輸時(shí)依賴(lài)這個(gè)地址編碼確定發(fā)送端和接收端。中心監控站向控制終端發(fā)送命令時(shí)，將需要發(fā)送的信息按照規定的格式進(jìn)行封裝，形成數據幀進(jìn)行發(fā)送，數據幀的幀結構如圖5所示。

數據幀包含目的地址和源地址，控制終端通過(guò)獲取數據幀的目的地址判斷是否接收數據和響應。幀長(cháng)度表示該字節后到校驗碼數據針對長(cháng)度，用于接收端判斷并接收完整的數據幀。目的地址和源地址都分別重發(fā)一次用于接收端校驗判斷，自幀長(cháng)度之后的字節通過(guò)循環(huán)冗余校驗產(chǎn)生校驗碼，接收端通過(guò)校驗判斷數據幀是否傳輸正確?？刂谱譃閷?shí)現不同功能規定了不同的命令字，數據段是不同命令所帶的數據信息。為保證數據傳輸的可靠，發(fā)送數據時(shí)利用ST7538的載波監聽(tīng)功能，在電力線(xiàn)上沒(méi)有數據傳輸時(shí)發(fā)送數據，同時(shí)在發(fā)送數據幀之前和發(fā)送完數據幀之后多發(fā)幾個(gè)字節可以提高通信的成功率。實(shí)驗測試表明，在一個(gè)樓宇內中心監控站和控制終端之間的電力載波通信都能實(shí)現。通過(guò)軟件設計控制終端可以具備中繼站的功能，如果存在數據傳輸成功率低的問(wèn)題，可以采用中繼的方式進(jìn)行數據傳輸，實(shí)現樓宇照明系統的監控。
在計算機上運行的控制管理軟件通過(guò)計算機的串口與中心監控站進(jìn)行數據通信，實(shí)現照明系統開(kāi)關(guān)燈時(shí)間信息設定、中心監控站校時(shí)、照明系統工作狀態(tài)監測和故障檢測、對每個(gè)照明燈的單獨控制等功能。對樓宇公共照明系統可以統一設定開(kāi)關(guān)時(shí)間，也可以根據具體需要分區域分別設定開(kāi)關(guān)時(shí)間。計算機只有在對控制參數設定和照明系統檢測時(shí)才與中心監控站進(jìn)行聯(lián)機通信，一般情況下中心監控站根據設定的控制參數獨立運行，完成對公共照明系統的監控。通過(guò)計算機管理軟件設定的參數保存在掉電不丟失的時(shí)鐘芯片RAM中，中心監控站根據開(kāi)關(guān)時(shí)間信息參數，設置時(shí)鐘芯片的鬧鐘時(shí)間，利用鬧鐘中斷的方式對公共照明系統進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，可以發(fā)生廣播命令統一控制，也可以分樓層、分區域分別控制，以及對每個(gè)照明設備單獨控制。當與計算機聯(lián)機時(shí)，根據控制管理軟件發(fā)出的命令，將包含命令信息的數據幀發(fā)送到三相供電線(xiàn)路上，并接收控制終端的反饋信息，轉發(fā)給管理控制軟件。
控制終端通過(guò)電力線(xiàn)接受中心監控站發(fā)出的控制命令，對照明燈具進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制和工作狀態(tài)檢測。其軟件設計流程如圖6所示。系統安裝后可以通過(guò)測試鍵檢查照明線(xiàn)路和通信信道是否正常，正常工作時(shí)可以通過(guò)開(kāi)關(guān)按鍵，短時(shí)間打開(kāi)照明燈，這個(gè)功能可以在非規定照明時(shí)間應急使用。數據接收采用串口中斷的方式，將接收到的數據存儲在片內存儲器，主程序讀取存儲器分析接收到的數據?？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(guò)分析接收到的數據幀中的命令字，控制終端可以實(shí)現對電路的開(kāi)關(guān)控制、工作狀態(tài)監測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，其中包含當前電路的工作狀態(tài)和故障標志等信息。如果接收到的是統一開(kāi)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 結束語(yǔ)
在樓宇原有照明線(xiàn)路的基礎上，只對照明開(kāi)關(guān)設備做簡(jiǎn)單升級改造，利用電力線(xiàn)載波通信實(shí)現了樓宇公共照明系統的監控，避免了長(cháng)明燈，節約了能源，并能及時(shí)發(fā)現故障。照明控制功能還可以進(jìn)行擴展，比如與常用的聲光控制、紅外控制等其他控制方法相結合，可進(jìn)一步減少照明能耗。如果照明系統是LED新型照明燈具，可以設計實(shí)現燈光亮度的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)系統的控制對象還可以擴展到其他連接在電力線(xiàn)上的用電設備，實(shí)現用電設備的遠程智能管理。