基于單片機控制的智能教室管理系統中直流載波通信的設計

王靚，范德輝

（青島職業技術學院 軟件與服務外包學院，山東 青島 266555）

基于單片機控制的智能教室管理系統中直流載波通信的設計

王靚，范德輝

（青島職業技術學院 軟件與服務外包學院，山東 青島 266555）

針對目前高校智能化教室管理的具體需求，基于單片機的控制，提出了采用直流載波通訊技術的智能化教室管理系統。論述了教室智能管理系統的系統結構、供電方式，以及基于單片機控制的直流載波通信技術的軟硬件設計，并由此完成各單體教室管理系統與主控室系統之間的供電與通信。實驗結果表明，該系統可以有效實現教學樓宇的智能控制，通信穩定性高。

直流載波通信技術；教室管理；智能控制；單片機控制

隨著電子技術和智能化技術的發展，人們對工作環境的智能化要求也越來越高［1-3］。對于高校來講，教學樓的智能化控制非常重要，直接影響著學生的學習環境及設備和電力的損耗、安全性等問題，因此建設高校教學樓智能控制系統，實現對教學樓用電、照明、多媒體、門禁的管理具有重要意義。

目前，許多高校的教室雖然采用各種措施實現了單體教室的多媒體控制、照明管理和門禁設置，但多種控制系統不能綜合管理，而且多數采用孤立的單教室控制，雖然從一定程度上解決了部分管理問題，但卻也存在著不能實時地了解各個教室的情況，不能及時檢修、遠程控制等缺點。

為此，本文提出了單片機控制的智能教室管理系統，并利用主控室和單體教室之間的供電線進行直流載波通信，相比于其他的傳輸方式，大大減少了布線，無需過多其他的要求，就能將各個教室的情況實時地傳送到主控室，同時可以通過主控室來監控各個教室實時的情況，并根據實際需要加以遠程控制。

1　系統設計

在智能教室管理系統中，由于整個系統需要完成每個教室的單獨控制同時又要完成整個教學樓的統一管理，所以在智能教室管理系統中每個教室設置有教室分機，整個教學樓設置一個控制管理總機，兩者之間供電采用主機向分機供直流電，而為了減少布線、提高系統穩定性，主機與分機間的通信采用直流載波通信技術。

智能教室管理系統分為上位總機和下位分機，系統結構如圖1所示。下位分機安裝在每個教室里，負責管理當前教室的照明、供電、多媒體設備、門禁等狀況，同時又能夠將單體教室實時狀態傳送給上位總機。而上位總機可以接收各分機傳來的信息，實時掌握每個教室的狀況，同時能夠對分機發送指令，達到遠程開關、遠程控制功能。

圖1　系統結構圖

2　電源電路

智能教室管理系統電源電路采用主機由市電經電源適配器供電，分機由主機提供+20 V直流電壓的方式進行。主機電源電路如圖2所示，主機向分機供電電路如圖3所示，分機電路如圖4所示。

圖2　主機電源電路原理圖

圖2中主機電源電路經由J1從適配器引入+24 V直流電壓，二極管D1起到保護作用，電感LG1用于濾除電源的波動，為電路提供穩定直流電壓V+。V+經高壓降壓轉化器MP1 430處理得到主機系統所需的+5 V模擬電路直流VCM及數字電路直流電壓+5 V和+4.5 V。

圖3　主機向分機供電處理電路原理圖

圖3所示為主機向分機供電處理電路，主機電壓V+經過可調穩壓電源LM317的調節和穩壓輸出+20 V直流電壓供給分機。

圖4為分機電路原理圖，接插件J1ZX接主機供電線，整流二極管D2～D5使得電路供電線具有防錯插功能，不管兩根主機供電線正接或者反接，經由整流二極管D2～D5的處理總可以在D6的陽極和GND之間得到+20 V左右的直流電壓。+20 V的直流電壓經過三極管Q1在集成三端穩壓器HT7136的輸入端上得到+15 V左右的電壓，穩壓管ZD2起到穩壓保護的作用，10 uF的電解電容保障了HT7136輸入端得到的電壓不至于降得太低。+15 V電壓經由HT7136的處理在輸出端得到3.6 V，接到單片機CDI602的1腳用于給單片機提供工作電壓。

3　直流載波通信技術

圖4　分機電路原理圖

載波通信是電力系統特有的一種通信方式，是利用現有電力線，在發送端通過載波方式將模擬或數字信號在導線上進行高速傳輸，接收端進行解調的技術，最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線就能進行數據傳輸［4］。

3.1硬件電路

由于系統采用直流供電線進行載波通信，所以直流載波處理硬件電路一部分是和電源電路結合在一起的，圖3既是主機向分機供電處理電路同時也是主機發碼處理電路，圖4分機電路原理圖中也包含有分機收碼、發碼電路。

3.1.1主機發碼電路

主機向分機發碼采用+20 V和+6.5 V的高低電平的變化進行。如圖3所示，可調穩壓器LM317輸出端的電壓值的大小受1腳對地電阻阻值的影響，1腳和2腳之間240 Ω的電阻兩端的電壓固定是+1.25 V。當主機單片機P3.6輸出為低電平“0”時，三極管QS2截止，1腳對地調節電阻阻值為R39的阻值，lm317的 2腳輸出電壓計算值為 1.25/240*7K5+ 1.25=40.35 V，因40.25 V＞V+，所以實際2腳輸出電壓輸出略低于V+電壓值；當主機單片機P3.6輸出為高電平“1”時，三極管QS2導通，1腳對地調節電阻阻值為R39和R36并聯值，lm317的2腳輸出電壓為1.25/240*（1K5||7K5）+1.25=7.25 V，這兩個高低的電壓值經過后面電路的處理，由J3輸出到分機上分別約為+20 V和+6.5 V。利用高低電平的組合變化就可以由主機向分機發碼，而低電平采用+6.5 V左右，保證了分機始終能夠正常工作。

3.1.2分機收發碼電路

如圖4分機電路原理圖所示，單片機CDI602的7腳是分機收碼端，主機發來的+20 V的高電平和+6.5 V的低電平低經過D2～D5組成的防錯插電路，分別約降0.7 V，經510 Ω的電阻R3和100 Ω的電阻R4的串聯分壓，在分機收碼分別得到3.2 V和0.9 V左右，正好對應單片機能夠處理的高低電平。

單片機CDI602的3腳是發碼端，通過3腳輸出高低電平在供電線上形成電流的變化，當3腳輸出為高電平時三極管Q2導通，R9上有電流，當3腳輸出低電平時三極管Q2截止，R9上沒有電流，通過電流有無的變化可以將分機信息傳送給主機。當分機需要發碼時，由單片機CDI602的3腳輸出頻率為100 kHz的方波，則在供電線上形成頻率為100 kHz的電流的變化。

3.1.3主機收碼電路

如圖3所示，分機發碼形成的電流的變化引入到了主機kHz接收端，通過電容C40和電感L3的并聯諧振電路將電流的變化轉換成為電壓的波動變化，主機kHz接收端會得到在供電電壓20 V上下2 V范圍內形成的頻率為100 kHz電壓波動，如圖5所示。

圖5　主機收碼示意圖

主機kHz接收端得到的電壓波動單片機是不能夠直接處理的，需要先經過圖6所示主機收碼處理電路做預處理再送給單片機。主機kHz接收端的電壓波動連接到鎖相環電路LM576之后，將100 kHz的電壓波動解碼成為同等時長的低電平0 V，而非100 kHz通過上拉電壓VCM和電阻R9解碼成為高電平+5 V，經由LM576的8腳輸出到單片機的中斷輸入端，轉變為了單片機可處理的高低電平信號。

圖6　主機收碼處理電路原理圖

3.2通訊協議

3.2.1主機向分機發碼

如圖7所示，主機向分機發碼直接由高低電平的變化形成相應碼值，由于供電線需要大部分時間保持為高電平，所以主機發碼均以低電平為啟始。首先發送20 ms低電平，讓分機做好收碼準備，隨后發送時長為5 ms的低電平加時長為15 ms的高電平組成的“1”信號，或者時長為15 ms的低電平加時長為5 ms的高電平組成的“0”信號組成的一串碼。因為所有分機均并聯至主機，所以主機發碼中除了設置相應的命令，還要附帶發送分機號，所有分機都會收到主機的發碼，但是只有相應分機號碼的分機才會執行命令，其余分機只收碼不響應。

3.2.2分機向主機發碼

圖7　主機發碼示意圖

由于一個主機對應多個分機，所以分機向主機發碼前先要發送長度為5 ms的100 kHz的發碼請求給主機，主機若空閑則會接著返回一個40 ms的低電平響應告訴分機可以發碼，若主機不空閑則會等到空閑時再給予分機響應。當分機收到發碼允許信號后，如圖5所示，會發送時長為5 ms的100 kHz加時長為15 ms的高電平組成的“1”信號，或者時長為15 ms的100 kHz加時長為5 ms的高電平組成的“0”信號組成的一串碼，這串碼中包含分機發送給主機的教室狀態信息和分機編號以及最后的校驗位。

4　結　論

本文給出了基于單片機控制的教室智能管理系統設計，并且采用直流載波技術實現控制信號在系統主機與分機之間的傳輸，重點介紹了直流載波通信的硬件電路實現及其與電源電路的結合方式，以及主機分機間通信協議的設置。實驗證明，直流載波通信可以滿足通信需求，減除了原本所需通信線，進一步簡化了系統，做到了實時控制，可靠地完成了數據的遠程傳輸，抗干擾能力較強，該系統具有很好的推廣前景。

［1］戴杰.基于單片機的節能調光控制器 ［J］.電腦知識與技術，2008（35）:2258-2259.

［2］趙景波，王臣業.Protel 99SE電路設計基礎與工程范例［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］徐超群，高明煌.低壓電力載波通信技術在城市路燈遠程智能監控中的應用［J］.電訊技術，2002（8）:50-53.

［4］高偉.基于電力載波技術的LED路燈監控系統研制 ［D］.杭州:浙江大學，2012:22-23.

［5］陳建智，曹 勇.基于電力線載波通信技術的高校教學樓智能照明控制系統［J］.遼寧工業大學學報:自然科學版，2013 （6）：159-164.

［6］胡鄭華，宋慶國，于 澎.用于直流供電LED路燈的載波通信控制系統設計［J］.空軍預警學院學報，2014（6）：195-198.

［7］楊剛等.電力線通信技術［M］.北京：電子工業出版社，2011.

Design of DC carrier communication in intelligent classroom management system based on MCU control

WANG Liang，FAN De-hui
（Qingdao Technical College，Qingdao 266555，China）

As for intelligent controlling in classrooms of teaching buildings，the DC carrier communication technology based on MCU control was proposed.The realization of each classroom's intelligent controlling was mainly described，as well as the achievement of the communication between the various classrooms and the main controlling rooms based upon the design of the DC carrier communication technology.The experimental results show that the system not only realizes the purpose of intelligent control，but also implements the stability of the communication to be improved.

DC carrier communication technology；ciassroom management；intelligent control；MCU control

TN913.6

A

1674－6236（2016）16-0161-03

2015-08-31稿件編號：201508174

青島職業技術學院應用技術研究課題（11-A-4）

王 靚（1979—），女，山東濟寧人，碩士，副教授。研究方向：數字系統設計。