基于电力线载波通信的楼宇公共照明监控系统设计

摘要：利用电力线载波通信技术在原有照明供电线路基础上实现了楼宇公共照明系统的远程监控。系统设计简单、施工方便，不需要布线和线路改造，只对原有照明控制开关进行改进，具有自动定时监控和实时控制功能，实现对线路上所有照明设备的监控。控制终端不仅能替代原有控制开关，而且还可以对照明灯泡是否出现故障进行检测，并及时上报故障信息。
关键词：公共照明；电力线载波通信；远程监控；控制终端

0 引言
    楼宇公共照明是指建筑内楼道、走廊、车库以及室外亮化等公共电力照明系统，公共照明系统的监控是智能楼宇的重要组成部分，合理地设计照明系统的智能控制系统可以有效地降低能耗，在许多新建大型建筑中得到应用。但是目前多数建筑中仍采用传统的手动开关的照明控制方式，管理方式落后，容易造成能源浪费，可以在原有供电系统上设计独立的智能照明控制系统，改变传统的照明控制方式，更科学、有效地管理照明用电。文献表明，许多研究人员在照明智能控制系统领域做了很多工作，有采用C-Bus总线和CAN总线的控制系统，也有采用ZigBee传感器网络技术等无线传输模块的控制系统。有线控制方式可以保证监控信号的可靠传输，但系统需要单独布线，安装不方便，无线
数据传输避免了布线，但需要设计、安装无线数据传输网络。利用电力线载波通信可以借助传统供电系统的供电线路作为通信信道，不需要重新布线，只要在照明灯具上安装控制终端即可，安装控制方便，是照明系统智能监控系统的最优方案。

1 照明监控系统的组成
    电力线载波通信技术，是利用电力线传送数据的一种通信方式，最初的应用主要集中在高压远距离输电线路上，随着技术的发展，在中、低压配电网线路中也得到了广泛应用。楼宇照明监控系统中的电力线通信是一种低压电力载波窄带通信技术，就是借助已经布好的建筑照明低压供电线路进行数据通信的一种方式。

    系统由中心监控站和控制终端组成，它们都通过电力载波调制解调器与电力线相连，中心监控站可以安装在楼宇配电控制室内或值班室内，通过电力线向安装在供电线路上的控制终端发送控制命令，控制终端安装在受控照明灯具附近，实时接收中心控制站发出的命令，完成对照明灯的开关控制，同时检测照明灯的工作状态。

2 系统硬件设计
2．1 电力线载波通信模块
    目前用于电力线通信的芯片有很多，意法半导体(ST)公司的ST7538电力线收发器凭借其较好的性能，在小数据量低速数据传输方面得到了广泛应用，可用于大规模的自动读表系统和家庭、楼宇的自动化解决方案中。ST7538是一种半双工、同步／异步FSK调制解调器芯片，内部集成了电力线驱动接口，具有发送和接收数据的所有功能，只要通过耦合变压器等少量外围器件即可连接到电力网中，通过串行可以方便地与微处理器相连接。芯片具有八种载波频率和四种通信速率，可以通过编程进行选择，同时芯片还具有载波侦测、看门狗、过零检测、温度保护等功能。

    电力线载波通信模块主要电路组成如图2所示，单片机通过串口与ST7538进行数据交换，完成数据的发送和接收。设计中采用异步串口通信方式，不对控制寄存器进行操作，ST7538的UART／SPI管脚接高电平，REG DATA管脚接低电平，系统工作在132．5kHz调制频率信道，数据传输速率为2400bit／s。发送数据时首先判断载波监听信号管脚CD／PD，该管脚为高电平时说明信道中没有数据进行传输，然后通过I／O端口使RxTx引脚为低电平，数据以设定的波特率通过TXD传输给ST7538处理器，发送数据经过调制、滤波和差分放大后，由引脚ATOP1、ATOP2通过电力线接口电路发送到电力线上。由于其内部集成了电力线驱动接口，外围电路设计比较简单，由电容、电感、电阻构成的二阶带通滤波电路和1：1隔离变压器组成，元件的参数设计需根据选择的信道频率确定。隔离变压器的输出端一端接在供电线路的零线N上，一端通过电感和X2安规电容构成的滤波电路接在火线L上，图中虚线框内的耦合电路是将信号发送到三相供电线路中，只应用在中心监控站。通过电力线传输的调制信号通过耦合滤波电路由模拟输入端RAI管脚进入ST7538，通过滤波、解调等处理后形成串行数字信号由RXD管脚将信号送入单片机串口接收端。
2．2 中心监控站模块
    中心监控站单片机选择了带双串口接口的STC单片机STC12C5A08S2，外围模块主要由时钟芯片、电力线通信模块、与计算机进行串口通信的电平转换接口模块。系统中心监控站需根据时间信息向控制终端发送控制命令，DS12C887时钟芯片具有实时时钟功能，而且片上带有128字节RAM，其中113字节可以作为单片机的外部存储器使用，芯片自带锂电池，掉电时内部RAM信息不丢失，时钟能正常工作。单片机P0口与DS12C887的地址数据端口相连，通过Intel数据总线的方式对DS12C887中的RAM进行读写操作，包括工作模式设定、时间信息设定、闹钟时间设定以及其他数据信息的存储等。时钟芯片的中断请求输出端连接到单片机P3．2管脚(外部中断0)，单片机通过设定闹钟时间，利用时钟中断的方式向控制终端发出开关照明设备命令。每天的开关时间信息存储在掉电不丢失的时钟芯片内部RAM中。单片机具有双串口结构，其中一个串口及P1．6、P1．7与电力线通信模块连接完成电力线载波通信的数据发送和接收，另外一个串口通过RS232电平转换芯片与中心管理站的电脑相连，通过串口与电脑进行数据通信。

2．3 照明控制终端模块
    照明终端监控电路由电力载波通信模块、工作电流检测模块、开关控制模块和控制按键及工作状态指示电路等几部分组成，电路设计如图4所示。处理器选用了AT89C2051单片机，其串口和I／O端口P1．6、P1．7与电力线载波通信模块相连，完成数据的发送和接收。单片机系统通过电流互感器检测照明线路中工作状态下的电流，可以判断照明灯具是否出现损坏等故障。电流互感器的变比为1000：1，工作时输出的电流比较小，先通过集成运放1进行信号放大及电流电压转换，集成运放2和集成运放3组成精密整流电路对信号进行整流，再通过电容滤波得到一个直流电压信号，连接到单片机的P1．0管脚，利用单片机内部比较器，与P1．1管脚设定的阈值电压进行比较，P3．6是比较器的输出端，比较结果可以反映照明灯具是否正常工作。电路中电阻R的参数设定需根据照明灯具的功率来确定，照明灯具功率在40～100W范围时，电阻R可以选取6．8k的电阻，阈值电压可以设为1．2V，当照明灯正常工作时比较器输出高电平。

    单片机通过P1．4输出低电平使控制继电器闭合，对照明灯实现开关控制。电路中还设计了一个人工应急开关按钮，当按下SW键时，可以使开关闭合一段时间后再断开，具体时间通过软件编程设定。TEST按钮用于安装测试，按下时控制终端会发出链路检查请求，若与中心监控站通信链路正常，则P1．3输出低电平，点亮发光二极管LED1。同时也测试控制电路工作功能，P1．4输出低电平打开照明灯，检查照明线路工作电流信号是否正常，若没有检测到工作电流，灯泡可能已损坏，P1．2输出低电平，故障指示灯LED2亮。可以在安装灯泡和不安装的情况下进行测试，检查系统是否正常工作。

3 系统软件设计
    系统软件设计主要包括数据通信的实现、照明灯具开关控制及工作状态检测的实现以及计算机管理和控制软件系统。中心监控站和控制终端之间通过电力线载波进行数据通信，考虑到电力线信道动态变化的特点，数据通信采用应答方式和超时重发机制。中心监控站和每个控制终端都有一个唯一的16位地址编码(ID)，数据在传输时依赖这个地址编码确定发送端和接收端。中心监控站向控制终端发送命令时，将需要发送的信息按照规定的格式进行封装，形成数据帧进行发送，数据帧的帧结构如图5所示。

    数据帧包含目的地址和源地址，控制终端通过获取数据帧的目的地址判断是否接收数据和响应。帧长度表示该字节后到校验码数据针对长度，用于接收端判断并接收完整的数据帧。目的地址和源地址都分别重发一次用于接收端校验判断，自帧长度之后的字节通过循环冗余校验产生校验码，接收端通过校验判断数据帧是否传输正确。控制字为实现不同功能规定了不同的命令字，数据段是不同命令所带的数据信息。为保证数据传输的可靠，发送数据时利用ST7538的载波监听功能，在电力线上没有数据传输时发送数据，同时在发送数据帧之前和发送完数据帧之后多发几个字节可以提高通信的成功率。实验测试表明，在一个楼宇内中心监控站和控制终端之间的电力载波通信都能实现。通过软件设计控制终端可以具备中继站的功能，如果存在数据传输成功率低的问题，可以采用中继的方式进行数据传输，实现楼宇照明系统的监控。
    在计算机上运行的控制管理软件通过计算机的串口与中心监控站进行数据通信，实现照明系统开关灯时间信息设定、中心监控站校时、照明系统工作状态监测和故障检测、对每个照明灯的单独控制等功能。对楼宇公共照明系统可以统一设定开关时间，也可以根据具体需要分区域分别设定开关时间。计算机只有在对控制参数设定和照明系统检测时才与中心监控站进行联机通信，一般情况下中心监控站根据设定的控制参数独立运行，完成对公共照明系统的监控。通过计算机管理软件设定的参数保存在掉电不丢失的时钟芯片RAM中，中心监控站根据开关时间信息参数，设置时钟芯片的闹钟时间，利用闹钟中断的方式对公共照明系统进行开关控制，可以发生广播命令统一控制，也可以分楼层、分区域分别控制，以及对每个照明设备单独控制。当与计算机联机时，根据控制管理软件发出的命令，将包含命令信息的数据帧发送到三相供电线路上，并接收控制终端的反馈信息，转发给管理控制软件。
    控制终端通过电力线接受中心监控站发出的控制命令，对照明灯具进行开关控制和工作状态检测。其软件设计流程如图6所示。系统安装后可以通过测试键检查照明线路和通信信道是否正常，正常工作时可以通过开关按键，短时间打开照明灯，这个功能可以在非规定照明时间应急使用。数据接收采用串口中断的方式，将接收到的数据存储在片内存储器，主程序读取存储器分析接收到的数据。控制终端可以接收发给本站的命令信息，也可以接收广播地址的命令信息。通过分析接收到的数据帧中的命令字，控制终端可以实现对电路的开关控制、工作状态监测和通信链路检查等功能。控制端完成相关操作后要发送反馈信息，其中包含当前电路的工作状态和故障标志等信息。如果接收到的是统一开关等广播命令信息，终端控制站只完成控制功能，不反馈信息。

4 结束语
    在楼宇原有照明线路的基础上，只对照明开关设备做简单升级改造，利用电力线载波通信实现了楼宇公共照明系统的监控，避免了长明灯，节约了能源，并能及时发现故障。照明控制功能还可以进行扩展，比如与常用的声光控制、红外控制等其他控制方法相结合，可进一步减少照明能耗。如果照明系统是LED新型照明灯具，可以设计实现灯光亮度的实时控制，同时系统的控制对象还可以扩展到其他连接在电力线上的用电设备，实现用电设备的远程智能管理。