基于電力載波的樓宇燈光集中控制系統設計

陳進熹，朱 鴻，丁潔瑾

(1.杭州職業技術學院，浙江 杭州 310000；2.杭州宏訊電子科技有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

傳統的照明控制方法是用開關控制照明設備的通路與斷路。這樣的控制方法使得樓宇管理員無法在管理室內控制照明設備，不便于集中控制。當使用者忘記關閉照明設備時，管理者也無法知道設備是否在使用中，造成能源的浪費，所以集中的照明設備控制系統非常重要[1]。

現有的照明設備集中控制系統主要采用兩類控制方法。第一種是對建筑里的照明設備架設網絡通訊電纜，組成有線通訊網絡，管理室設控制終端，對建筑物照明集中控制。這種方法網絡響應速度快、實時性高且穩定性好[2]。但是要架設專用的通訊線纜，成本很高且后期維護不便。第二種方法是采用無線組網，優點是無需鋪設通訊線，組網方便。缺點是穩定性差，實時性低[3]。

采用基于電力載波方法設計樓宇照明設備集中控制系統不僅不用鋪設通訊線纜，而且相對無線網絡其穩定性更高[4]。采用專用的信號調制解調器還可以定制協議棧，實現多種控制要求。

1 系統硬件架構設計

照明設備集控系統硬件電路由控制部分和通訊部分組成，控制部分組成如圖1所示。

圖1 控制電路框架圖Fig.1 Frame diagram of control circuit

控制電路的數據交互接口與調制解調部分相連，用串口進行數字量交換。邏輯輸出接繼電器等邏輯控制設備，進行照明設備的亮滅控制。數字信號輸出接復雜控制照明設備，控制燈光亮度、色彩、角度等。調制解調部分的電路包括調制解調器、數據交互接口、載波信號接收濾波放大電路、載波信號發送濾波放大電路。調制解調器采用宏訊公司自主研發的調制解調芯片HLPLCS520F，該芯片使用FSK調制解調方式。HLPLCS520F內部架構如圖2所示：

圖2 HLPLCS520F結構原理Fig.2 Structure principle HLPLCS520F

HLPLCS520F采用110kHz頻率作為載波中心頻率，111kHz頻率表示信號1109kHz頻率表示信號0。外部電路的設計要基于110kHz頻率。在發送端需要對信號進行放大，以提高信號的輸出功率[5]。調制器輸出的信號中會有一些雜波信號，在輸出端要進行濾波處理[6]，可采用如圖3所示的濾波及放大電路。載波信號輸出功率較大，而模塊體積較小，需設計放大能力強發熱量小的放大電路，本設計采用D類放大器做放大電路。MOS管放大電路能有效降低功耗，減少電路發熱。

圖3 輸出放大濾波電路Fig.3 Amplifying and Filter circuit of output

圖3中FSK_OUT輸出頻率信號，經放大電路后形成方波信號，經過濾波電路(C1、L1)后輸出正弦波信號送到電網，圖3電路電壓放大幅度取決于VPLC的大小。C1和L1組成LC串聯諧振電路，起到選頻作用，本方案采用110kHz作為中心頻率。根據諧振頻率計算公式計算C1和L1的取值。

(1)

其中f0為諧振中心頻率，L為電感L1的值，C為電容C1的值。為提高LC串聯諧振電路的選頻能力，在合理范圍內選取LC串聯電路的Q(串聯電路品質系數)，Q值計算公式：

(2)

取Q值為100，計算得L1值取10μH，C1值取200nF。

信號經過電網傳送至接收端會有很多雜波信號，所以在接收端必須有濾波電路，接收端濾波電路可采用LC并聯諧振電路，電路如圖4所示。

圖4 接收濾波電路Fig.4 Recieving filter circuit

其中R2為接收端等效內阻。LC并聯諧振Q值計算公式為：

(3)

為保證濾波器選頻能力，同時考慮元器件選型，將LC并聯諧振的Q值選取為100。根據式(1)和式(3)計算LC并聯諧振電路的L2和C2的值，經計算得L2值為7μH，C2的值為300nF[7]。電路實物圖如圖5所示。

圖5 載波調制解調器實物圖Fig.5 Photo of Carrier modem

基于信號收發模塊，系統整體構架圖如圖6所示。

圖6 系統整體構架圖Fig.6 System architecture diagram

3 系統軟件協議設計

系統采用主從式網絡設計方式，一主多從，為了提高整體網絡的效率，不允許從節點的數據交互。樓宇的照明設備控制所需命令不多，主要以邏輯信號為主，所以系統軟件協議棧的數據幀格式可以做的盡量簡潔。電網環境復雜，在數據幀前添加報文頭。數據幀格式如圖7所示。

圖7 數據幀格式Fig.7 Data frame format

報文頭以9BH開頭，通知電網上的照明設備站點接收數據，16位地址去掉主機和廣播地址占用的地址外可以提供65534個從照明設備地址，足以滿足樓宇照明需求。控制端2位代碼用來表示后面數據的作用。數據代碼是信息載體，主機通過數據告訴從照明設備要做什么[8]。電網環境復雜，為了保證數據的正確，采用海明校驗的方法對前面地址段，控制段和數據段進行校驗。26位數據要5位校驗碼，達到海明距離3，能查出兩個錯誤位且能修正一個錯誤位。保證地址段、控制段和數據段的絕對可靠。協議設計保證照明設備接入電網后可以自動組網，利用分槽式ALOHA方法把信道時間分成離散的時間槽，每個站點只能在時間槽開始時才允許發送，某個從站如果在前面的時間槽占用了信道，則其它從站等待下一次機會。在主站發送完一個新設備尋址幀后，主設備等待一段時間，這段時間分為4個時間槽，如果有新的設備加入電網，它可以在4個時間槽內隨機選擇一個時間發送一個應答幀，這樣如果有兩個新設備同時加入電網，那么在4個時間槽能隨機選擇到前面時間槽的設備先占用信道，后發送的設備檢測到已有設備要占用信道，則放棄這一次競爭等待下一周輪詢。如果兩個設備在一個時間槽內同時發出應答幀，則會出現亂碼，主站不能識別報文頭，放棄改幀，新設備沒有收到主站的配置幀，則等待下一個周期[9]。(見圖8)

圖8 無沖突訪問照明設備增加機制Fig.8 Conflict-free access mechanism

ALOHA沖突時的訪問機制如圖9所示。

圖9 沖突訪問機制Fig.9 Conflict access mechanism

3 總結

本文簡述了基于電力載波通訊方式的樓宇照明

設備控制系統設計，設計了適合樓宇照明設備的通訊系統，并設計了專用網絡協議棧。本文所述設計已成功應用于多家公司，效果良好。

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