基于電力線載波的教室照明燈節能控制系統設計

楊秀增 蔣志年 韋樹貢

（廣西民族師范學院 物理與電子工程系，廣西 崇左 532200）

0 前言

隨著我國工業化、城鎮化進程的加快，能源短缺[1]、能源安全[1]和能源環境[1]等問題日益突出，成為了制約我國經濟民快速發展的瓶頸。黨中央高度重視，提出了節能減排的戰略決策。高校節能工作在各個高校迅速展開，建設節約型高校成為了他們建設目標。教學樓是高校教學與學生學習的重要場所[2-3]，也是高校的“用電大戶”，然而，日前由于高校教學管理上的落后，教學樓教室燈經常出現了白天晚上“長明燈”等電能資源浪費現象[2-3]，對建設節約型高校不利。

針對以上情況，本文利用自動控制和電力線載波技術，開發一套基于網絡的遠程教學樓照明燈節能監控系統，實現教學樓照明燈的遠程集中實時監控，達到數學樓用電節能目的。由于本控制系統采用了成熟的電力線載波技術進行網絡通信，不用重新施工和布線，因此，本控制系統在可靠性，設計成本等方面具有較好的優越性。

1 系統整體方案及其工作原理

電力線載波通信技術，是一種以電力線作為信號傳輸媒介的特殊的擴頻通信技術[4-5]。與其它通信方式相比，電力線載波通信技術具有傳輸可靠性高、投資少、見效快、與電網建設同步等優點[4]，因此，具有廣泛的應用價值[4-5]。目前，這樣技術已被廣泛應用于在線自動抄表[5]、電網負載控制[5]等自動領域中。圖1為利用此技術所設計的基于網絡的遠程教學樓照明燈節能監控系統整體原理方框圖，由圖1可知，本遠程控制系統，由監控主機、教室燈遠程控制開關、教室燈狀態LED顯示屏、教學樓220V電力線、教室燈節能控制從機和KQ-130F電力載波通信模塊六大部分組成。

監控主機，是本系統的監制主控，本主機除了能向教室燈節能控制從機發送開關命令外，還能接收從機發回的每盞燈狀態信息；照明教室遠程控制開關，用于遠程控制教室中每一盞燈的開與關，它與教室中每一盞燈的開關一一對應，當按下某個開關鍵時，監制主機讀取、識別按鍵信息，并以命令的形式發送到相應從機；教室燈狀態顯示屏，用于動態實時地顯示教室中每盞燈的狀態，教室中的每一盞燈都對應一顆LED燈，監控主機一旦收到從節能控制從機發回的教室燈狀態變化信息時，會實時更新顯示內容，值班室工作人員，通過觀察LED燈的狀態，就能知道教室燈每一盞燈的當前開關狀態；KQ-130F通信模塊是成都科強電子公司生產載波調制解調模塊，它們之間通過教學樓照明電力線互聯，組建成一個基于電力線載波的通信局域網，用于傳輸遠程開關燈控制命令和各教室燈狀態信息，當值班室工作人員在值班室按下某一個教室遠程控制開關時，監控主機通過教學樓照明電力線，把開關燈命令發到指定的教室燈控制從機中，控制從機根據命令具體內容，閉合或者切斷相對應的燈的電源，實現遠程控制開關燈功能。當教室燈的狀態一旦變化，控制從機把教室燈的狀態變化信息發回到監控主機，并用狀態顯示屏顯示出來。

圖1 教學樓照明整體設計原理方框圖

2 系統硬件設計

2.1 發送端電路設計

圖2為本系統發送端電路原理圖，主要由AT89C51、遠程控制開關、LED顯示燈、KQ-130F電力載波通信模塊和多片74LS165與74LS164組成。

圖2 系統發送端電路原理圖

AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，是本系統發送端的控制中心。在本系統中，為了實現與每個教室燈控制從機之間進行數據傳輸，在發送端和接收端，都采用了KQ-130F電力載波通信模塊。KQ-130F通信模塊，采用基于交流零點數據傳送技術[7]，它具有抗干擾能力強[7]，衰減強[7]，傳輸距離遠[7]等優點，廣泛地應用于自動抄表[7]，路燈控制[7]，智能家居[7]，消防安全[7]，樓宇控制[7]和電力線數據傳輸[7]等領域中。在應用中，遠程控制開關和LED顯示燈的數量一般是較多，而單片機的I/O口數量有限，為了有效地對這些開關和LED燈進行控制，本系統中采用多片74LS165（并/串）和74LS164（串/行）轉換數字芯片加以解決。如圖2所示，74LS165是八位并行輸入/串行輸出移位寄存器，采用多片74LS165串連方法，把多位遠程控制開關的并行輸入數據轉換成串行數據，通過P1.2口送入單片機處理；74LS164是8 位串行輸入并行輸出的邊沿觸發式移位寄存器，采用多片串聯的方法，實現對多個LED燈的并行控制。

2.2 接收端控制電路設計[8]

本系統的接收端電路設計參考文獻的設計思路，設計電路如圖3所示。在本設計中，每一個教室燈從機能獨立地控制4盞燈的熄滅，本文以其中的一路節能燈控制電路為例，敘述本控制電路的工作原理。由圖3可知，本控制電路由KQ-130F電力線載波通信模塊、AT89C51單片機芯片、支路電流檢測電路和繼電器開關電路和開關按鍵組成。

KQ-130F電力線載波通信模塊通過串口與AT89C51單片機進行通信，實現數據的收發功能。R2、T1、D1和J是繼電器開關電路，當單片機P1.0為低電壓時，T1飽和導通，繼電器工作，電路被接通，照明燈被點亮。為了提高實用性，在本系統的每個接收端控制從機中，還設計了本地開關按鍵K1，當按下K1鍵時，單片機P1.0輸出低電壓，點亮照明燈。為了及時地了解每間教室中各支路照明燈的工作狀態，在本系統中，專業設計了支路電流檢測電路。L1、U1、U2、U3和外圍元件構成電流檢測電路，L1為電流互感器，R1、 R3和U1構成一個反向比例放大電路，R4、R5、R6、D1、D2和U2為精密全波整流電路，R7、R8和U3為一個比較器電路。因為電流互感器的感應出來的電流的信號微弱，因此，用U1比例放大器對這一信號進行放大，其放大倍數在1000倍以上。放大的信號通過精密全波整流電路整流之后，再通過C1進行濾波取其直流成分，被送到U3比較器進行比較，當直流成分的電壓高于比較器的正相輸入端的電壓時，比較器輸出低電壓，表明支路中有電流通過，照明燈工作正常，如果比較器輸出高電壓時，照明燈工作異常

圖3 接收端節能燈控制電路

3 軟件設計

3.1 電力線載波通信的數據幀結構

電力線載波通信信道是一個非理想的時變系統[4][9]，衰減嚴重，干擾信號和噪聲復雜[9]，為了適應這一通信信道的特點，在通信時，采用數據幀通信形式，如表1所示，通信數據幀結構包括幀長度，目的地址，源地址，控制字和數據五個部分。根據KQ-130F電力線載波通信模塊使用手冊可知，通過設置該模塊的MODE腳[7]，可以設置該模塊工作模式，當MODE腳被設置為高電壓時，工作在透明工作方式[7]，當MODE腳被設置為低電壓時，此模塊工作在自定義模式[7]，本設計采用自定義模式，在此中，第一個字節是幀的傳輸的字節數，其范圍為0-250，即一幀中最大能傳輸250字節。為了實現網絡通信，監控主機與每個教室燈節能控制從機都分配了唯一的8位地址，監控主機的網絡地址分配為0地址。控制字用于傳輸網絡控制命令，包括開關燈遠程控制命令和返回燈狀態控制命令兩種。狀態數據用于記錄傳輸教室燈的當前狀態，當教室從機收到監控主機發來的返回燈狀態控制命令時，從機馬上把本教室燈的當前狀態發回到監控主機。

表1 通信數據幀結構

3.2 電力線載波通信系統軟件設計

當用KQ-130通信模塊組建通信網絡時，因此通信模塊沒有載波監聽功能，如在網絡中有多個模塊同時發數據時，會發生沖突，會發生傳輸的數據包丟失的現象。為了避免沖突，在本設計中，采用時間分片的網絡傳輸模式，即每個從機要與監控主機通信時，只能在它指定的時間片內進行。圖4為本系統程序流程圖，其中圖4（a）為監控主機的主程序流程圖，其中圖4（b）為教室從機串口中斷服務程序流程圖。在圖4（a）中，首先對系統進行初始化，其中包括對串口的初始化等，然后判斷指定教室的遠程控制開關是否按下，如果有動作，在數據包控制字單元中寫入切換燈命令，如果沒有動作，則在數據包控制字單元中寫入返回燈狀態命令，然后，填好從機地址，把數據包發送到網絡上去。最后，打開監控主機的串口中斷，等待教室燈控制從機響應。如果監控主機在指定的時間內沒得到某一從機的響應，表明此間的控制從機不能正常工作，關串口中斷，發下間教室的數據包。總之，監控主機通過周期性發不同地址的數據包與每一間教室的控制從機聯系。在接收端，一旦接收到從監制主機發來的數據，從機就運行串口中斷服務程序，其程流程圖如圖4（b）所示。當從機讀到5個字符時，就對數據包的地址進行分析：如果不是本教室的數據包，則返回；如果是本教室的數據包，則對數據包的控制字進行分析，如果是切換燈命令，則執行切換燈操作，如果是返回燈狀態命令，則把本教室中所有燈的當前狀態以數據包的形式發給監控主機。由此可見，從機要想與主機通信，只有收到是本地數據包時，才能與主機通信，從而避免了數據沖突。

圖4 軟件設計流程圖

4 結束語

節能減排是當今社會發展的主題，建設節約型高校是所有高校共同的目標，教學樓是高校的重要的組成部分，其用電量較大，其樓耗電量占學校所有耗電的40%左右[10]，因此，如何有效地對教學樓的照明燈進行智能化、科學化管理，達到節能照亮的目的，具有重大的意義。

本文針對目前高校教學樓用電存在浪費的現象，利用電力線載波通信和自動控制技術[11-13]，開發了遠程教學樓照明燈節能監控系統，實現遠程自動監控和實時控制功能，它成本低廉、施工簡單，有一定的實用價值與推廣價值。

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