淺談電力載波技術在照明系統中的應用

摘? 要：通過對電力載波技術的原理與應用進行探討，針對學校實驗室，分析基于電力載波技術的照明控制系統的應用。旨在倡導節能減排，促進資源的合理利用，避免不必要的電力浪費。

關鍵詞：照明系統;電力載波;通信技術

0? ? 引言

電力載波通信技術，是以電力線作為傳輸媒介來實現數據傳遞和信息交換的通信技術。它的工作原理是：通過對信號源發出的信號進行編碼和調制，把信息上傳至信道上，并通過現有的電力線進行傳輸，在接收端將耦合的信息解調，再譯碼后送給用戶端，從而完成信息的傳遞。電力線具有分布廣泛、直達用戶、接入操作簡單、設備成本少等特點，利用它進行數據通信，傳遞各種信息，結構簡單、維護方便。這種技術目前在電力生產、電網管理、智能抄電表等領域廣泛應用。

1? ? 目前室內照明系統存在的問題

1.1? ? 手動控制，人工成本大

不論是實驗室用燈光，還是家用燈光，都存在這樣的問題：需要開關燈時均是人工手動操作。如果室內面積較大，燈具較多且開關距離較遠的話，人工開關燈還是比較費時的，這樣不利于節約電能。針對高校實驗室的燈光使用更是如此，一般情況下實驗室較為集中，但可能出現不同學科、不同實驗室分布在一起的情況，這樣要控制某盞燈效率不高。

1.2? ? 多是分布式，不好集中控制

針對實驗樓或多個實驗室的場合，燈具的分布較為分散，如需開關燈有可能要樓上樓下地跑。如為家用，一般情況下各個房間的燈光開關都分布在每個房間，若要開關其他房間的燈，必須去所在房間的開關處才能進行操作。

1.3? ? 故障發現不及時

目前需要通過人工進行實地檢查才能看到每個燈具的工作狀態，才能針對有故障的燈具進行維修。但如果房間較多且分散，那么要查找有故障的燈具是件耗時耗力的事情，要么需要專人排查故障，要么需要使用人員上報故障情況，不能實現精細化管理。

1.4? ? 燈光調節模式單一

需要開關燈時都必須手動操作，且燈具不能根據外界環境等自動調節明暗程度;又或者室內無人時，燈具不能自動關閉，這樣勢必會造成電力資源的浪費。

2? ? 幾種通信技術的比較

為了改善室內照明系統存在的如上問題，現介紹幾種無線通信技術。

2.1? ? 電力載波技術

電力載波技術是指利用現有的電力線進行載波傳輸信號的技術，其特點是無需額外架設通信線路，利用現有的電力線路就可以進行信號傳輸，所以其設備成本較低，結構簡單，分布廣泛，可遠程傳輸。目前，該技術在智能遠程抄電表、智能家居中都有較成熟的應用。但是該技術有以下缺點：配電變壓器會阻隔電力線中載波信號，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送;在傳輸過程中，由于傳輸線路上的噪聲，如線路上的電氣開關狀態的改變或自然界中打雷等天氣對傳輸線的干擾等，都會造成電力線載波的信號衰減、不穩定，并影響傳輸速率。

2.2? ? GPRS通信技術

GPRS英文簡稱為“General Packet Radio Service”，中文名稱為通用無線分組業務，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。相對原來GSM撥號方式的電路交換數據傳送方式，GPRS是分組交換技術，具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸、自如切換等優點。通俗地講，GPRS是一項高速數據處理技術，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶手上。GPRS是GSM網絡向第三代移動通信系統過渡的一項2.5代通信技術，在許多方面都具有顯著優勢，它特別適用于間斷的、突發性的、頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。GPRS可提供高達115 kb/s的傳輸速率，理論帶寬可達171.2 kb/s，實際應用帶寬大約在40～100 kb/s。其具有數據傳輸速度快、永遠在線和按數據流量計費三個突出的優點。但正因為采用了分組的形式進行數據傳送，GPRS會發生一些包丟失的現象。

2.3? ? ZigBee無線通信技術

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz三個頻段上，分別具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10～75 m的范圍內，但可以繼續增加，其具有低功耗、成本低、時延短、網絡容量大、可靠安全等特點。ZigBee模塊廣泛應用于智能電網、遙感勘測、農林業、消防安全等領域。通過組網，將終端連接在模塊通信范圍內，通過對網絡中的路徑進行搜索，分析位置關系，按照就近原則，選擇最近的信道進行數據傳輸，如果傳輸斷連，再換稍遠的通路進行傳輸，最終建立一條傳輸數據的路徑。但是目前ZigBee芯片出貨量比較大的TI公司，其芯片成本均在2～3美元，再考慮到其他外圍器件和相關2.4 GHz射頻器件，成本難以低于10美元。同時，采用該技術進行無線通信，信號穿墻能力弱，如在照明控制系統中應用，針對多房間、多樓層的照明系統的集中控制，由于房間之間墻、門窗等的存在，信號傳輸都會受到一定的影響。

3? ? 調制解調技術的仿真

相比GPRS通信技術和ZigBee無線通信技術，電力載波通信技術具有其獨特的優勢：電力載波是通過現有的電力線傳輸信號。在發送端將需傳輸的信息進行調制、編碼后上載到電力線通道上進行傳輸，在終端位置又將接收到的信息通過解調、譯碼來完成信息的完整傳輸。普通照明系統屬于低壓配電線路，利用現有資源的分布，采用電力載波技術，投資成本較小又直達用戶，所以，電力載波技術十分適合應用于照明系統的控制。

對于載波模塊，選用東軟載波ES1642，它是專用于220 V交流的性價比較高的模塊，其采用的是BPSK調制技術，其原理是：振幅和頻率保持不變，利用載波的相位變化來傳送數字信息。通常用初始相位0和π表示二進制數1和0，即規定數字基帶信號為0時，已調信號相對于載波相位為π;數字基帶信號為1時，已調信號與載波信號同相位。進行解調時，由于BPSK幅度不變，故需進行相干解調。經過帶通濾波的信號在相乘器與本地載波相乘，然后通過低通濾波將高頻成分去掉，最后進行抽樣判決，正抽樣值判為1，負抽樣值判為0。

現利用MATLAB仿真其調制解調的過程。設計流程為：先利用rand隨機產生一組元素為10的數字序列，再根據BPSK的調制原理調制信號，接著利用相干解調法，將調制的信號經過帶通濾波器后和余弦信號相乘，再經過低通濾波器進行抽樣判決，最后得到解調后的波形。仿真結果如圖1所示。

部分程序如下：

%產生雙極性脈沖序列

g1=a; g2=～a;

g11=（ones（1，2000））'*g1; g1a=g11（：）';

g21=（ones（1，2000））'*g2; g2a=g21（：）';t=0：dt：10-dt; t1=length（t）;

psk1=g1a.*cos（2*pi*f*t）;

psk2=g2a.*cos（2*pi*f*t+pi）;

sig_psk=psk1+psk2;no=0.01*randn（1，t1）;sn=sig_psk+no;

%產生乘法器輸出信號和低通濾波后輸出信號

bpf=fir1（101，[19/1000，21/1000]）;H=filter（bpf，1，sn）;

sw=H.*cos（2*pi*f*t）;%乘法器輸出信號

lpf=fir1（101，[1/1000，10/1000]）;st=filter（lpf，1，sw）;%低通濾波后輸出信號

figure（2） subplot（2，1，1）;plot（t，sw）;

title （'乘法器輸出信號'）;ylabel （'幅度'）;subplot （2，1，2）;plot （t， st）;

title （'低通濾波后輸出信號'）; ylabel （'幅度'）;

%抽樣研判后進行解調輸出

sig = zeros （1： t）;

for i = 1： length （t） if （st（i）>=0）? sig （i） = 0;? else? sig （i） = 1;

end

end

figure （3） subplot （2，1，1）; plot （sig）; axis（[0，20000，0，2]）;

title （'經過抽樣判決后解調出的波形'）;

ylabel （'幅度'）; subplot （2，1，2）; plot （g1a）; axis （[0，20000，0，2]）;

4? ? 結語

綜上所述，電力載波通信技術具有廣闊的應用空間，有必要開展深度研究，開發出性能更可靠、功能更多樣、使用更便捷的載波技術。隨著科技的不斷發展、新技術的不斷誕生，電力線載波技術也必將得到進一步的改進、發展和完善，同時也會使得照明控制更加智能化。

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收稿日期：2020-06-16

作者簡介：翟逸飛（1983—），男，甘肅蘭州人，講師，主要從事智能控制的教學和研究工作。