基于電力載波的智能校園節電系統研究

殷明

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，淮南232001）

引 言

目前我校校園的照明系統仍在沿用簡單的人工控制方式。這無疑不利于照明節電，常常存在忘記關燈等現象，浪費嚴重，而且燈具數量、照明耗電等難以量化管理。故有必要進行照明用電控制方式的革新，采用先進的數字化、網絡化的控制方式可以從根本上杜絕無謂的浪費，而且可以規范照明用電的管理。

電力線載波通信技術是電力系統特有的一種通信技術，它是指利用電力線網絡作為傳輸媒介，實現數據傳遞和信息交換的一種技術。它為用戶提供數字化社區服務和電子商務，提供高速因特網訪問服務、話音服務，可實現家庭辦公和遠程家電控制，還可實現防火、防盜、防有毒氣體泄漏。電力線載波模塊是電力線載波通信的核心部件和硬件基礎，它使實現數據、語音、視頻和電力傳輸的“四網合一”成為可能。

1 系統的工作原理

本系統主要由三個部分組成：上位機、主機、從機。由PC作為上位機，對整個系統起到監視和控制的作用。主機由一個單片機系統和載波通信模塊組成。從機由單片機、通信模塊和一些外圍設備組成，如一些A／D采樣單元、地址編碼單元。

主機通過電力線載波的串行通信方式對從機進行監控。一個通信數據包由8字節數據組成：第1、第2字節是主機標識；第3字節是命令；第4、5字節是從機地址；第6～8字節為數據。主機采用廣播方式發送命令數據，從機收到通信包后進行數據分析：一是識別主機是否是自己的上級主機；二是識別從機地址是否是自己的地址；只有在全部確認無誤后從機才執行命令和相應的操作。

從機直接監控電燈的狀態，通過電力線載波接收電路接收來自主機的指令，并執行相應的操作，完成對電流、電壓、溫度的采樣處理，判斷電燈是否工作正常，并根據數據分析判斷路燈的工作狀態是否正常。如果工作狀態異常，就執行相應的操作，保護電燈，并把數據和警告發送給主機。

2 硬件電路的設計

2.1 主要器件的選擇和相關的性能

PL2102是專為電力線通信網絡設計的半雙工異步調制解調器，僅由單一的＋5V電源供電，有一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通信控制功能外，還內置了5種常用的功能電路如可數字頻率校正的實時鐘電路、32字節SRAM、電壓監測、看門狗定時器及復位電路。它們通過標準的I2C總線接口與外部的微處理器相連，其中實時時鐘與32字節SRAM在主電源掉電的情況下，可由3V備用電池供電繼續保持工作。PL2102是特別針對中國電力網惡劣的環境所研制開發的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術，并采用大規模數字／模擬混合0.35μm CMOS工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國內外同類產品性價比等方面有著出眾的表現。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB在系統可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能：8KB Flash、512字節RAM、32位I／O口線、看門狗定時器、4KB EEPROM、MAX810復位電路、3個16位定時器／計數器、一個6向量2級中斷結構、全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器／計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率為35MHz，6T／12T可選。

2.2 電路設計

電力線載波電路的設計主要分為兩個部分：電力載波信號接收電路和發送電路，如圖1所示。

圖1 載波收發電路結構

載波接收和發射原理如圖2所示。接收信號部分：D1主要用于箝位，以防止過大的浪涌電流；C1、C2和L2并聯諧振工作在f＝120KHz，具有對120KHz信號的選頻作用，對輸入的微小信號進行放大，從而提高接收輸出靈敏度。發射信號部分：發射回路電容C3、電感L1（18μH／200mA）用于調整發射電流和波形，減小C3和增大L1將減小發射電流和改善波形；反之，將增大發射電流和波形失真情況。由于線圈的帶載能力一定，調整C3和L1將影響線圈的發射功率和自身功耗。4個晶體管逐級放大，4個二極管起保護作用。發射電壓VHH影響發射功率的大小，隨著發射電壓的下降，發射功率也下降，發射電壓越高晶體管的自身功耗越大，一般發射電壓選10～18V。

圖2 載波電路原理圖

數據處理及控制電路如圖3所示。當PL2102收到的載波信號經內部電路處理后，它將解調出數據位信息，并經RXD＿TXD引腳輸出，同時HEAD引腳同步輸出低電平。當STC89C52的INT0產生中斷并接收位后，會根據預定格式合成相應的指令信息；同時根據指令中所規定的時間設置來修改開關燈時間及開燈的比例，并執行開關燈的操作等。另外，它還將在開燈后監控電流、溫度等參數，以便在嚴重超標時執行保護措施，同時及時給主機發送故障原因信息。

3 軟件設計

3.1 載波部分軟件設計

系統軟件采用C語言編寫，并全部采用模塊化編程。該部分的軟件編程中，如何接收并發送載波信號是重點。圖4給出了載波通信接收流程，圖5是載波通信發送流程。

3.2 單片機與上位機通信部分設計

單片機采用中斷的方式與PC通信，通過設置UART中斷控制寄存器的中斷控制位使能該中斷。單片機數據發送程序流程圖如圖6所示。

上位機程序在Visual Basic 6.0（VB）環境下開發。VB支持面向對象的程序設計，具有結構化的事件驅動編程模式，并可以使用無限擴增的控件。利用VB可以使用3種方法完成串口通信：第一種是用VB提供的具有強大功能的通信控件；第二種方法是調用Windows API函數，使用Windows提供的通信函數編寫移植性強的應用程序；第三種是利用文件的輸入／輸出完成，該方法簡單易行，但有一定的局限性。

圖3 數據處理及控制電路

圖4 載波通信接收流程

本系統采用第一種方法進行上位機程序開發，即應用VB提供的通信控件MSComm，文件名為MSCOMM.VBX。該控件具有完善的串口數據發送和接收功能，可對串口狀態及串行通信的信息格式和協議進行設置。通過此控件，PC機可利用串行口與其他設備實現輕松連接，簡單高效地實現設備之間的通信。

圖5 載波通信發送流程

圖6 單片機數據發送程序流程

4 系統測試與運行

為了能更好地對整個系統進行驗證，在校園教室內進行了系統的現場安裝實驗。根據現場的實際運行情況來看，系統能夠按照所設計的思路進行正常的工作。經過近一年的運行測試，系統工作正常，能耗降低近30%。

當然，在現場實驗過程中也遇到了很多需要改進的問題，例如：如何跨變壓器進行載波通信；如何提高數據的傳輸距離；如何在硬件上改善短路后造成的整個線路故障；如何檢測照明燈是否損壞等等。

結 語

本文主要研究了電力線載波通信技術以及其在校園照明節電控制系統中的應用。通過設計載波通信模塊及各控制器的硬件、通信協議、系統軟件及上位機管理軟件，利用現有的低壓輸電網傳送信號，并將其應用于照明控制系統、系統既提高了管理效率，又節約了能源，減少了電費支出，還延長了燈具的使用壽命，具有很好的應用前景。

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