基于电力载波的教室电器智能节能系统设计

1 系统结构

　　教室电器智能节能系统主要由人体检测、亮度检测、温度检测、单片机模块、电力线载波通信模块、上位机控制软件6个功能模块组成。

该系统以PC机作为上位主机，各下位机由单片机组成，各下位机之问无数据传输，只与主机产生数据交换，系统结构如图1所示。

1.1 红外检测模块

　　教室人数统计由2个人体检测电路实现，分别安装于教室门口内、外两侧。门内外两侧的红外传感器只要检测到有人进教室或出教室，其输出将有电平跳变，从而先后触发单片机的中断，单片机根据中断次数和顺序统计教室人数。红外传感器采用热释电红外传感器D203S，其外围电路如图2所示，IClA是一级低频信号的放大电路，放大后信号滤波电路选出信号0.2～10 Hz的信号。

　　在静态时，6，7脚的电压也是1/2VCC，当有信号后，6脚的电压就会在1/2VCC上下摆动，这个电压再通过IClB进行放大，输入到后面的比较电路，该门限电路不管输入信号是在1/2VCC上偏还是下偏，都将在上下门限值之间输出一个高电平，此高电平经过光耦后的信号作为单片机INT0外部中断的请求信号。

1.2 电力载波通信模块

　　上位机须根据单片机的检测数据自动控制教室照明和风扇的开通与关断，而上位机与各个单片机之间的信号传输是通过2片电力载波芯片LM1893将信号在电网上调制或解调来实现。

　　LM1893是美国国家半导体公司生产的高性能专用电力载波通信芯片，具有使用方便、价格低廉、精度高和可靠性好的特点，采用移频键控的调制解调方式，抑制噪音的FSK调制方式，可实现任意编码方式的数字序列半双工通信，载波频率在50～300 kHz之间可选择。

　　单片机机与电力载波通信芯片LM1893连接电路如图3所示，上位机与LM1893的外围电路基本与此类似。LM1893的5脚为TX／RX发送接收控制端，由单片机的P1.0端控制，高电平为发送状态，低电平为接收状态。LM1893输入端17管脚与单片机的串行发送端相连，当控制端为电平时，由单片机输入的数据经LM1893芯片内部的调制振荡单元，调制为125 kHz的正弦模拟信号，经过功率放大后从芯片的I／O(第10管脚)输出，最后通过信号耦合变压器将此模拟信号耦合到电网上，实现数据的传送。

　　当控制端为低电平时，接收端12管脚与单片机的串行输人口接收端相连。从电力线上来的信号经高压耦合电容和变压器T组成的耦合电路从LM1893的10脚送入内部平衡限幅放大器，经芯片内部电路的解调处理，从数据输出端12脚输出数据信号(TTL电平)，从而实现单片机的接收。上位机的发送接收的方式和原理与此相同，不赘述。

2 系统的软件设计

2.1 通信协议

　　为了保证电力线通讯的顺利进行，本系统采用的通信协议遵守《地区电网数据采集与监控系统通用技术条件》，并且参照X-10协议。在电力线载波通信的过程中，因为采用异步半双工工作方式，所以一定要有包含控制机制的传输协议以确保数据的可靠传输。上位机和下位机需采用适当的协议和时序配合。该设计中，每次通讯过程总是由上位PC机首先发起，通讯时单片机先进入通讯状态，等待与计算机通讯。上位机向下位机发送的命令为系统码、地址码、命令码和校验码。

　　由于采用共用的电力线通讯，为避免电力线上的杂波载波信号对本系统主机和各从机的误接收，在发送地址信号前，加了一个系统码。而校验码是对此码前所传送的所有数据进行简单加法，保留1个字节，进位自然溢出得到的数值，数据传输的接收方对所收到的数据的正确性进行判断。同理，从机向主机发送命令为起始码、地址码、数据块和校验码。

2.2 上位机软件实现

　　上位机采用Delphi 7作为开发环境，对数据的存储采用数据库Paradox，此单端数据库由Borland公司开发，可采用BDE引擎，与Delphi 7融合较好。对串口RS 232直接使用Windows API函数和多线程技术实现通信功能，串口通信软件由负责人机交互的主线程和对串口进行处理的后台辅助线程组成。

　　通信软件构架如图4所示，主线程是串口通信程序的管理者，用来初始化串口(通过调用Win32 API函数)，自定义通信事件消息，创建、删除辅助线程，进行人机交互的操作及协调好各线程运行。辅助线程是串口通信软件的核心，包括读线程和写线程。辅助线程对串口进行实时监视，当监测到预定义的事件时，立即调用相应的线程进行处理并向主线程发相应的消息，如串口出错，则退出线程并向主线程报错；如接收到数据就调用读线程自动接收数据并进行处理。

　　本系统由于对实时性要求不高，波特率选用在600～1 200 b／s之间，上位机的自定义帧格式为1位起始位，8位数据位，1位地址帧识别位，1位停止位，无奇偶校验位。上位机工作流程如图5所示，上位机通过RS 232串行发送口TXD以广播形式向下位机先发系统码后发地址码，经LM1893调制成125 kHz的正弦信号，通过耦合变压器，耦合至电力线上。上位机发送后将设置LM1893为解调状态处，准备接收数据。而所有从机的LM1893已处于解调状态，完成接收数据，此数据通过中断服务子程序由单片机串行接收口RXD输入各自CPU，如果起始码和地址码都正确，从机将LM1893设置为调制状态，将地址确定信号返回信息给主机。主机收到数据，对正误标识进行判断，如收到正确返回信号，则继续与此从机通信；如遇错误标识或在一定时间内没收到回送信息，则进行命令重发。

2.3 下位机软件实现

　　由于涉及到单片机多机通讯，因此单片机串行口工作方式选为方式3，通讯格式为每11位构成一串行帧：1位起始位(0)，8位数据位(最低有效位在前)，1位地址帧识别位(1)，1位停止位(1)，无奇偶校验位(上位机的地址帧的识别位将进入单片机RB8)。

　　下位机软件流程如图6所示，其中flag1是当前通信单片机的标志位，当flag1=1时，表示此单片机正在通信，其他单片机的flag1全置零，防止误动作；flag2是为了防止由于错误通信，还没有发送有效数据就导致相应用电设备的误动作，通过软件设计减小错误的发生。

　　最后，由于交流电网上的干扰因素较多，为了尽可能的排除干扰，接收端得到正确可靠的信号，要求接到电力载波芯片10管脚的信号耦合变压器的设计既要保证有用信号的正确耦合，又要隔离电网杂波。除此之外，上位机软件可通过校验码和对每个数据重发10次，接收端对接收的10个数据取相同个数最多的数据作为有效数据去处理来尽量减少干扰引起的通信失败。

3 结语

　　实验证明基于电力载波开发的教室电器智能节能系统能可靠地完成PC机与单片机完数据的远程传输，实现对教室照明系统的智能控制，达到了节能的作用。若将其做些适当的改装应用于诸如社会生产等其他方面，将会为全社会带来可观的经济效益。由于在实际测试中基于载波的通信系统，交流电网干扰因素较多，为了尽可能排除干扰就要从系统的软件和硬件的设计同时着手。对于通讯速度要求不高的系统，如网络抄表系统能、智能大楼控制系统，电力线载波通讯有很大的实用和推广价值。