基于電力線載波通信技術(shù)的教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)

陸焱

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 231000)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的日新月異，學(xué)校教學(xué)樓對照明系統(tǒng)也提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的照明模式早已無法滿足當(dāng)前教學(xué)照明系統(tǒng)的實(shí)際需求。在這樣的背景之下，借助計(jì)算機(jī)、通信以及遙感的電力線載波通信技術(shù)得到了迅速推廣和應(yīng)用。從學(xué)校角度來講，教學(xué)樓照明系統(tǒng)十分重要，在一定程度上直接影響著學(xué)生照度環(huán)境和電力資源的損耗。因此，基于電力線載波通信技術(shù)在學(xué)校教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 案例概況

某校教學(xué)樓于2011年建成正式投入使用，該教學(xué)樓建筑面積15 450 m2，共6 層。其中，有80 人教室10間，120 人教室8 間，210 人教室5 間；該教學(xué)樓不僅是學(xué)校的教學(xué)基地，更是學(xué)生們進(jìn)行學(xué)習(xí)和自習(xí)的重要場所，該校教學(xué)樓數(shù)量多、照明設(shè)備多，用電量較大，年用電量大約為126 894.65 kWh。

2 傳統(tǒng)手動(dòng)開關(guān)弊端及存在的問題

（1）傳統(tǒng)手動(dòng)開關(guān)燈控制教學(xué)樓照明，如果白天教學(xué)樓內(nèi)采光充足時(shí)，依然會存在開燈上課現(xiàn)象，長明燈及人走燈未關(guān)的現(xiàn)象屢見不鮮。同時(shí)，教學(xué)樓內(nèi)無人后者人員很少的情況下燈具依然處于全部開啟狀態(tài)。

（2）相關(guān)人員不能及時(shí)掌握教學(xué)樓內(nèi)燈具亮滅的實(shí)際情況，也不能根據(jù)設(shè)計(jì)需求控制教學(xué)樓內(nèi)燈具的亮滅。

由此可見，基于電力線載波通信技術(shù)在教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是十分有必要的。與此同時(shí)，根據(jù)該教學(xué)樓的整體布局，需要再安排兩個(gè)主控制室，這兩個(gè)主控制室分別位于該教學(xué)樓一樓的106 和107室，每一個(gè)主控制各設(shè)置一臺PC機(jī)作為上位機(jī)，主要有亮度和人體檢測、單片機(jī)和電力線載波通信模塊以及上位機(jī)控制系統(tǒng)5個(gè)功能組成，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力線載波通信總體架構(gòu)圖

（1）上位機(jī)為PC 機(jī)，借助電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與該教學(xué)樓內(nèi)各個(gè)教室的通信。這樣一來，相關(guān)工作人員既可以了解某一教學(xué)樓內(nèi)某教室燈具的亮滅情況，還通過力線載波通信技術(shù)的指令實(shí)現(xiàn)對各教室燈具亮滅情況的控制。

（2）下位機(jī)共油51 個(gè)單片機(jī)組成，電力線載波通信技術(shù)可以及時(shí)地將各教師燈具的亮滅情況傳送至上位機(jī)，能夠通過上位機(jī)發(fā)出的指令控制個(gè)教室燈具的亮滅情況。可以通過運(yùn)用電力線載波通信傳感器傳回的數(shù)據(jù)信息及時(shí)地開啟和關(guān)閉教室內(nèi)的燈具。

3 電力線載波通信技術(shù)概述

電力線載波通信技術(shù)指的是利用專用的調(diào)制解調(diào)器對照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，形成特定的頻率和信號，然后將調(diào)整好的信號發(fā)動(dòng)至既有的電力線載波上。其與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，電力線載波通信技術(shù)是以較為發(fā)達(dá)的電力線為主要載體，既有數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、投資成本低以及施工周期短等的優(yōu)勢。

該教學(xué)樓照明控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心（見圖2），并且各個(gè)教學(xué)樓的照明系統(tǒng)全部設(shè)置了屬于自己的環(huán)境監(jiān)測、控制系統(tǒng)和上位機(jī)通信接口，工作流程如下：當(dāng)通過光照檢測電路檢測到某一教學(xué)樓內(nèi)的光照不足時(shí)，不論熱釋電傳感器電路此時(shí)是否會輸出信號，照明設(shè)備都會自動(dòng)啟動(dòng)；而當(dāng)通過光照檢測電路檢測到教學(xué)樓內(nèi)的光照充足時(shí)，單片機(jī)就會自動(dòng)輸出控制指令，照明系統(tǒng)就不會啟動(dòng)。

圖2 某學(xué)校教學(xué)樓照明控制系統(tǒng)節(jié)電器

盡管如此，電力線載波通信依然存在著以下缺陷，特別是熱釋電傳感器方面，即對教學(xué)樓內(nèi)靜止人員的檢測準(zhǔn)確度較低，需要延長檢測時(shí)間才能克服這一缺點(diǎn)，但依然會出現(xiàn)照明系統(tǒng)頻繁的開關(guān)現(xiàn)象，不僅影響著照明系統(tǒng)的使用壽命，且還會給教學(xué)樓內(nèi)的教師、學(xué)生的正常學(xué)習(xí)與工作帶來影響。因此，該文在遵循照度優(yōu)先原則的基礎(chǔ)上，采用了電力線載波通信中準(zhǔn)靜態(tài)人體檢測性的控制器來解決這一問題，還增加了對紅外射管計(jì)數(shù)器的雙重檢測，以此來保證人體在靜止?fàn)顟B(tài)下但又未離開教學(xué)樓時(shí)照明設(shè)備依然可以持續(xù)點(diǎn)量。

4 基于電力線載波通信技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 單教學(xué)樓軟件設(shè)計(jì)

單教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)軟件的主要功能和作用是完成對數(shù)據(jù)信息的收集，比如光照度、熱釋電傳感器信號輸出。系統(tǒng)需要首先設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光照值，當(dāng)教學(xué)樓內(nèi)光線充足的情況下，所有的照明系統(tǒng)均為關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)教學(xué)樓內(nèi)的光照低于標(biāo)準(zhǔn)的光照值時(shí)，需要先判斷教學(xué)樓內(nèi)是否有人，如果有人照明系統(tǒng)自動(dòng)開啟并進(jìn)行延時(shí)，如果沒人，照明控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

4.2 電力線通信協(xié)議

為了保證電力線載波通信技術(shù)在教學(xué)樓智能通知系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性，該系統(tǒng)中采用的通信協(xié)議參照的是美國的電力線載波X-10通信協(xié)議，而在該系統(tǒng)中需要使用的是包含控制機(jī)的傳輸協(xié)議，上機(jī)位和下機(jī)位必須采用適當(dāng)與可靠的通信協(xié)議才能保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)募皶r(shí)性。該照明系統(tǒng)為了避免總線對其造成的沖突，需要單片機(jī)先進(jìn)入通信系統(tǒng)中等待信號發(fā)出，PC 機(jī)器會隨時(shí)發(fā)出地址碼、系統(tǒng)碼或者是命令等，其目的是為了電力線上的雜波信號對系統(tǒng)主機(jī)的正常運(yùn)行而帶來的影響。

5 電力線載波通信技術(shù)的教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

電力線載波通信技術(shù)在該教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，還通過對該教學(xué)樓大范圍控制區(qū)域的方式，以此保證在夜間人少情況天的照度，實(shí)現(xiàn)方式如下。

5.1 光照檢測電路

光照檢測電路中包括一個(gè)光敏電阻，通過電阻至于串聯(lián)實(shí)現(xiàn)分壓，當(dāng)教學(xué)樓內(nèi)有光照時(shí)，電壓信號會自動(dòng)傳送至A/D轉(zhuǎn)換器，該文選擇能耗低，以串行工作方式為主的TLC549作為轉(zhuǎn)換器。根據(jù)我國《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，教學(xué)樓內(nèi)的照度標(biāo)準(zhǔn)音大于300 lx。也就是說，當(dāng)教學(xué)樓內(nèi)的照度高于這一標(biāo)準(zhǔn)是，光照檢測電路不會輸出電壓信號。相反，只有當(dāng)教學(xué)樓內(nèi)的照度小于300 lx的時(shí)候，教學(xué)樓內(nèi)的照明系統(tǒng)才會正常開啟。

5.2 熱釋電傳感器電路

顧名思義，熱釋電傳感器電路采用熱釋電紅外傳感器，該傳感器由濾光鏡片組成，其工作原理如下：當(dāng)濾光鏡片中的截止波長為7～10 μm，就與人體中的波長相呼應(yīng)，且還會將燈光和太陽光等的干擾熱釋電傳感器電路的因素統(tǒng)統(tǒng)排除。同時(shí)，在結(jié)合菲涅爾光鏡可以有效擴(kuò)大檢測的范圍和角度，距離可達(dá)6～8 m。所以，需要在該教學(xué)樓內(nèi)的120人的8間教室，210人的5 間教室分別安裝1 個(gè)傳感器。傳感器是以通過電信號的形式輸出的，但由于輸出的信號太弱，還需要通過對BISS0001信號的調(diào)整之后方可傳送至單片機(jī)內(nèi)。

5.3 人數(shù)計(jì)數(shù)檢測電路

在通常情況下，由于熱釋電傳感器僅僅能檢測到正在運(yùn)動(dòng)的人體，而當(dāng)人體處于靜止?fàn)顟B(tài)下時(shí)不會產(chǎn)生任何信號，為了防止和減少該教學(xué)樓的照明系統(tǒng)出現(xiàn)關(guān)閉的現(xiàn)象，還需要借助紅外對射管計(jì)數(shù)器完成雙重檢測目標(biāo)。當(dāng)熱釋電傳感器在檢測到教學(xué)樓內(nèi)沒人的情況下，相關(guān)工作人員可以觀察紅外對射管計(jì)數(shù)器是否有信號輸出，如果沒有信號輸出，該系統(tǒng)會自動(dòng)將教學(xué)樓內(nèi)的照明系統(tǒng)關(guān)閉，如果有信號輸出，系統(tǒng)會自動(dòng)延時(shí)教學(xué)樓內(nèi)燈具的照明時(shí)間。采用這一雙重檢測方法，可有效杜絕和減少傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中的種種不足，從而實(shí)現(xiàn)智能照明目的。

5.4 通信模塊

單片機(jī)與TXF 端口、LM1893 數(shù)據(jù)信息輸入端17號管腳相互連接于一起，另一端口的RXD 與LM1893數(shù)據(jù)信息輸入端的12號管腳相互連接于一起，單片機(jī)的P0.0 端口主要功能是用來控制系統(tǒng)的收發(fā)信號情況，LM1893主要由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成。在信號發(fā)送環(huán)節(jié)，單片機(jī)主要從教學(xué)樓獲得的信號由17號腳傳送至LM1893,系統(tǒng)經(jīng)過相應(yīng)的處理之后在從12腳輸出；在信號接收環(huán)節(jié)，電力線上的信號先從12 腳進(jìn)入到系統(tǒng)的芯片中，再經(jīng)過系統(tǒng)相應(yīng)的處理之后，數(shù)據(jù)信息由12腳傳送至單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)低單片機(jī)的控制。

5.5 照明電路控制

照明電路控制可通過對教學(xué)樓內(nèi)日光等的開啟和關(guān)閉進(jìn)行控制。但是，由于單片機(jī)I/0 輸出的電流太小，無法用來完全控制繼電器，此時(shí)需要使用一個(gè)8050為其提供一個(gè)足夠可以控制繼電器的電壓，同時(shí)通過限流二極管的方式防止繼電器在斷開情況下所產(chǎn)生的反向電流對8050 造成的破壞。由于繼電器僅僅需要5 V 的電壓，這樣1 個(gè)8050 便可以保證整個(gè)繼電器的工作電壓。

5.6 LM1893與電力線的耦合

Cc 與Rc 在并聯(lián)情況下形成RC 網(wǎng)絡(luò)，可以有效防止來自50 Hz的工頻干擾。其中，Cc的大小為0.22 μF，其作用和功能是防止二級管出現(xiàn)分壓現(xiàn)象，防止12腳的電壓超過44 V，由于綜合考慮到繼電器可以承受的最大電壓以及保證電力線載波通信系統(tǒng)可以正常工作，Rc 的電流應(yīng)當(dāng)控制在0.5 mA 范圍內(nèi)，但根本目的是為了防止高壓脈沖波對電力線載波通信系統(tǒng)造成的破壞。其中，繼電器的使用需要經(jīng)過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，因?yàn)橹挥泻线m信號的繼電器才可以保證正確的耦合，又可以隔離電網(wǎng)帶來的雜波。另外，繼電器除了可以傳輸載波智蛙，還需要有穩(wěn)定的諧振頻率為支撐，這樣才能有效防止電力線的阻抗影響。

6 結(jié)論與討論

綜上所述，該文基于電力線載波通信技術(shù)的教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)的分析，得出以下結(jié)論。

（1）該電力線載波通信技術(shù)在教學(xué)樓照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用既穩(wěn)定又可靠，能夠根據(jù)教學(xué)樓內(nèi)的實(shí)際情況及時(shí)對照明系統(tǒng)進(jìn)行開啟和關(guān)閉動(dòng)作，為該校節(jié)約了大量的人力、物力和財(cái)力資源，大大提升了用電效率。

（2）基于LM893 的電力線載波通信技術(shù)可以實(shí)時(shí)滿足該教學(xué)樓對于用電的實(shí)際需求，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，既做到了對教學(xué)樓內(nèi)照明系統(tǒng)的實(shí)施控制，又保證了數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)募皶r(shí)性與可靠性。

（3）通過實(shí)踐表明，基于電力線載波通信技術(shù)的教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)，每天可以至少少開燈大約0.8 h及以上，每年可節(jié)約用電資源56 000 kWh，節(jié)省成本約45 680 元，良好的節(jié)能效果表明該系統(tǒng)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。