基于PLCBUS协议教室照明智能控制系统设计

  摘要: 介绍PLCBUS 电力线通讯协议，利用PLCBUS-9402393 模块结合教室实际照明电路设计教室智能照明控制系统，给出了智能照明系统接收模块电路、控制模块电路、照度传感器电路，进行了系统模拟实验。此系统无论新教学楼还是投入使用的教学楼用户都可以使用，具有很强的灵活性和稳定性。

　　教室是学校照明用电的主要部分。教室灯光照度设计标准为室内平均照度300 lx，这样高的照度要求，如果没有合理控制方案，能源上将造成巨大的浪费。因此将智能照明控制系统应用于普通教室、阶梯教室具有相当的实际意义。对于学校而言，使用调光控制方式显然造价过高，难以接受，而且教学楼的灯具大多选择了日光灯，调光控制需要专用的调光镇流器，比较烦琐。因此，开关控制是学校教室照明主要的控制方式。

　　本文结合学校实际电路，利用电力线通讯，采用PLCBUS 协议，设计了教学楼内各教室统一控制灯的低成本智能照明控制系统。

　　1 教室照明特点

　　高校教学楼为长廊类设计，教室在长廊一侧或两侧，配电为照明与插座分别由不同空开控制。同一侧教室自然采光和灯光布局基本相同，一般每个教室采用两个照明回路，分别给两组灯光供电，每组灯由一个空开控制，并在教室内有墙壁开关控制。

　　教室单独还有一插座回路。如图1 所示。

图1 教室照明系统图

　　2 基于电力线通讯PLCBUS 技术

　　PLCBUS 技术采用Pulse Position Modulation(PPM) 脉冲相位调制法。它是利用电力线的正弦波作为同步信号，在四个固定的时序中发送瞬间电脉冲来传递信号的。每半个50Hz 的正弦波周期可以传递一个PLCBUS 脉冲信号，PLCBUS 脉冲信号出现在半个正弦周期里的4 个固定位置中的一个位置。

　　每个位置可以搭载2bit 的信息， 在50Hz 的电力线上，1s 可以传输200bit 的数据。因为采用电脉冲通讯，PLCBUS 信号可以传递得很远。如图2 所示。

图2 PLCBUS 信号帧的载波位置示意图

　　2. 1 PLCBUS 的通讯格式和数据传递方法

　　PLCBUS 信号的传输信息包基本结构如图3 所示。PLCBUS 信号总是有2 － 1 － 1 － 2 这样的字节开始作为START 信号为“起始字节”。起始字节之后的5 个字节称为“Header”标题字节。标题字节里包含有许多基本信息，比如数据的长度、接收地址信息、发射器的信息、是否需要反馈等等。在标题字节后是PLCBUS 的数据字节，可以包含0 ～ 18 个数据字节。用这些数据字节可以传递诸如灯光亮度、调光步长、信号质量等数据。最后一个字节是校验位，用于判断接收到的数据是否正确。

　图3 PLCBUS 传输信息包的基本结构

　　在PLCBUS 协议中，地址是分成两部分定义的。

　　NID ( Network ID) 在最终用户那里称为“用户码”，DID (Destination ID) 在用户那里称为“房间码+ 单元码”，NID 共有8bit，可以组成256 个不同的地址，DID 也是8bit， 也可以组成256 个不同的地址码。NID ( Network ID ) 和DID ( DestinationID) 统称为接收数据用的地址码，但NID 有5 位地址码另有他用， 所以PLCBUS 的基本地址码就是250256 = 64000 个。

　　PLCBUS-9402393 控制芯片是采用PLCBUS 协议通讯进行照明控制的专用芯片，采用此芯片可方便的组成实用智能照明系统。

　　3 PLCBUS-9402393 芯片

　　PLCBUS-9402393 引脚如图4 所示。

图4 PLCBUS-9402393 引脚图

　　PLCBUS-9402393 引脚说明见表1 所示。

　　利用芯片可组成接收模块和发送控制模块，发送控制模块可对不同地址发送控制指令，每个接收模块可存储多个地址，相同地址响应控制指令，系统可以方便的控制不同设备的开关，系统既可针对一个模块单独控制，又可以对多个模块同时控制。

表1 PLCBUS-9402393 引脚说明

　　4 教室智能照明系统的设计

　　4. 1 PLCBUS 智能照明系统设计组成

　　PLCBUS 智能照明系统设计分为主控模块、从控模块和照度传感器模块三部分。其中从控模块可以设置多个地址，主控模块和传感器模块发出地址控制指令，具有相同地址的接收模块根据指令作出响应，打开或关闭灯光。通过对接收模块设置地址的分组，可实现对所有教室的灯光分片和分区域的控制。PC 机和控制器也可发出用户开或关闭指令，使相同用户码的所有教室灯光打开或关闭。

　　系统结构图如图5 所示。

图5 智能照明系统组成图

　　根据学校实际一般教室有两组照明电路，可划分为亮区暗区两个区域，分别在亮区暗区安装照度传感器，照度传感器与发送控制模块连接，可根据传感器状态发送不同指令，控制教室两个区的照明电路灯光开闭。每个教室可在配电箱或墙壁开关内安装照明接收器，每个接收器可控制两个回路灯光，每个回路允许的最大电流2. 5A ～ 6A ( 如接入继电器可控制更大电流)。多个教室可以为一个区， 同一区发射器和接收器使用同一个用户码，接收器指令只接收同一用户码的发射器指令。教室内的墙壁开关可安装在接收器之后， 在接收器开始供电后，墙壁开关控制室内灯光打开关闭。

　　由于同侧教室采光具有相同性，以任一个教室两个区采集的光照数据作为同侧教室照明电路的控制参数，控制同侧同区教室的灯光开闭。

　　4. 2 智能照明系统电路设计

　　4. 2. 1 接收模块的电路设计

　　采用PLCBUS-9402393 芯片设计的接收模块电路如图6 所示。一个接收模块可以控制两个照明回路，分别由芯片的12 脚和13 脚控制，每个回路可以设置一个主地址和15 个副地址。接收模块的19 和22 管脚连接电力线，从电力线上接收指令，芯片判断其指令中的目的地址是否与模块某接收到指令后判断其指令中的目的地址是否与模块某回路的地址相同， 如相同按照指令代码对芯片12 脚或13 脚输出高电平，Q1 和Q2 三极管9014 起放大电流的作用，电流增大至信号继电器OJT-SS-112LM 动作电流后，使继电器线圈导通，则K1 或K2 闭合，照明回路LOAD1 或LOAD2 导通，灯光打开。如按照指令芯片12 和13 管脚无高电平输出或输出值小于信号继电器动作电流时， 则相应照明回路关断，灯光关闭。接收模块执行完控制指令后将发送反馈信息给控制模块。墙壁开关可安装在接收模块后，只有在模块供电后， 才能使用墙壁开关打开灯光，这样可以有效节约电能。

图6 接收模块照明灯光控制电路

　　4. 2. 2 控制模块电路设计

　　芯片的5，6，7，8 管脚分别连接4 个按钮K1，控制模块电路如图7 所示。K1，K2，K3，K4， 通过对芯片的预设置可以使每个按钮发送不同的地址控制指令，例如设置K1 触发时芯片向电力线上发送B1 on 指令，则当按钮K1 按下时，模块发送B_ 指令，地址为B1 的接收模块的相应照明回路的开关将闭合，灯光打开。设置K2 触发时芯片向电力线上发送B1 off 指令，则当按钮K2 按下时，模块发送B1 off 指令，地址为B1 的接收模块的相应照明回路的开关将打开，灯光关闭。芯片的1 0 和1 1 脚连接PC 或MCU 进行通讯，可完成发出控制指令和对模块芯片设置功能。

图7 控制模块电路

　　4. 2. 3 照度传感器控制电路设计

　　照度传感器采用On9668，是一个可实现光控阀值可调的光电集成传感器。电路如图8，图9 所示。

　　控制模块电路中的按钮K1，K2，K3，K4 采用照度传感器电路代替， 芯片PLCBUS-9402393 的5，6，7，8 管脚各连接一个照度传感器。当环境亮度达到照度传感器Uadj 设置值时，OUT 管脚输出高电平或低电平，OUT 管脚连接单稳态触发器，这样从Q 端输出脉冲信号，输入到PLCBUS-9402393 芯片管脚5，6，7，8 端， 相当于触发控制模块电路的K1，K2，K3，K4 任意按键，就可发出相应控制指令。

　　图8 为环境照度大于设定值时，发送触发脉冲的电路，图9 为环境照度低于设定值时，发送触发脉冲的电路。

图8 照度传感器控制电路1

图9 照度传感器控制电路2

　　传感器模块作为发射器使用，传感器模块连接两个亮度传感器。每个接收器有不同地址。假设暗区接收器地址为B1，亮区接收器为B2，也可将所有同侧教室的暗区接收器设为B1，亮区接收器设为B2，照度传感器检测到低于特定照度时，传感器模块K1 就会触发系统发送B1 on 指令， 所有地址为B1 的模块都会接收指令从而供电，教室暗区的灯就会打开; 当另一照度传感器检测到高于特定照度时，暗区传感器模块K2 就会动作，发送B1 off 指令，所有地址为B1 的模块都会接收指令断电，教室暗区的灯就会关闭。这样实现暗区灯光根据本区域的实际亮度进行自动打开和关闭，保障教室一定的照度。

　　对于亮区区域也同样控制。

表2 教室智能控制时间表

　　5 实验结果

　　由表2 可以看出，教室1，2 只在早上和晚上由人工操作控制器，开关教室的灯光，其他时间系统可利用带照度传感器的控制模块根据环境亮度的变化分区域发出不同的指令，打开和关闭灯光，教室不会出现长明灯的现象，这样在满足教室照明亮度的前提下，达到节约电能的目的。

　　通过实验，此设计可以根据照度实现对灯光的分布式自动控制，也可单独控制或分区域控制，控制方便，系统便于人工和自动切换，方便扩充和管理，具有很好的实用价值。PC 机也可作为控制器发出开或关闭指令，使相同用户码的所有教室灯光打开或关闭。

　　总结

　　此系统利用普通电力线传输控制信号实现对灯的智能控制，所以无论新教学楼还是投入使用的教学楼用户都可以使用，用户只要在配电箱或墙壁开关上安装接收模块， 几个教室按装发送控制模块，就能轻松实现智能化; 系统中没有中央控制主机，PC 机作为一个多功能控制器使用，可随时加入和撤出，用户可以像搭积木一样随意按需布置，多个控制器控制范围用户可自己设置，即可实现分布控制，也可统一控制管理。