基于電力載波的公共場(chǎng)所燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚紫陽(yáng) 胡晨輝 賈磊

摘要：將電力載波技術(shù)引入到公共場(chǎng)所的燈光控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)公共場(chǎng)所燈光的遠(yuǎn)程控制，并能對(duì)故障燈光電路檢測(cè)報(bào)警。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，便于對(duì)公共場(chǎng)所燈光進(jìn)行系統(tǒng)管理及維護(hù)，同時(shí)有助于降低系統(tǒng)的能耗。

關(guān)鍵詞：電力載波 ?遠(yuǎn)程控制 ?燈光系統(tǒng)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們生活水平的快速提高，能源需求也日益增長(zhǎng)，如今我國(guó)已是世界上第二大能源消費(fèi)國(guó)。但我國(guó)的人均能源資源不到世界平均水平的二分之一，同時(shí)以煤為主的能源消耗對(duì)環(huán)境的壓力也日益增大。電能的消耗是能源消耗的一個(gè)重要組成部分，在我國(guó)的城鎮(zhèn)，隨著商場(chǎng)、辦公大廈等一些公共場(chǎng)所的用電需求越來(lái)越大，而這些地方目前的管理不到位等因素，往往造成電能的巨大浪費(fèi)，這樣，提高用電效率就迫在眉睫。

燈光系統(tǒng)，尤其是公共場(chǎng)所的燈光系統(tǒng)的能耗是非常巨大的。而傳統(tǒng)的公共場(chǎng)所燈光的控制主要采用人工，控制點(diǎn)大都比較分散，導(dǎo)致管理極為不便，不僅浪費(fèi)人力管理成本，還會(huì)因管理不善導(dǎo)致用電的浪費(fèi)。本文提出一種基于電路載波及智能控制等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的，具備遠(yuǎn)程管理、故障檢測(cè)、智能控制等功能于一體的公共場(chǎng)所（如教學(xué)大樓、實(shí)驗(yàn)大樓、賓館、寫字樓等）燈光遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在加強(qiáng)對(duì)燈光系統(tǒng)的智能管理，節(jié)能降耗，并降低管理成本。

2 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為典型的物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)，有感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)層使用電力載波技術(shù)，各節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)之間采用載波通信。感知層由各載波傳感控制節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有繼電器控制接口，可對(duì)節(jié)點(diǎn)所連接的燈光進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。同時(shí)，各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有人體紅外節(jié)點(diǎn)、光敏傳感節(jié)點(diǎn)等傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)量出周圍的環(huán)境情況。另外，各節(jié)點(diǎn)還設(shè)計(jì)有電流檢測(cè)模塊，可以通過(guò)電流的變化對(duì)連接到本節(jié)點(diǎn)燈光的故障狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。應(yīng)用層主要包含遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障檢測(cè)和智能控制三部分功能組成，遠(yuǎn)程監(jiān)控功能是通過(guò)遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)了解各節(jié)點(diǎn)燈光狀態(tài)并可控制各路燈光的開(kāi)關(guān);故障檢測(cè)功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)各節(jié)點(diǎn)有無(wú)燈的故障，一旦出現(xiàn)故障便即刻向終端發(fā)出報(bào)警信號(hào)并告知故障燈光所在節(jié)點(diǎn)，便于管理人員及時(shí)進(jìn)行維修維護(hù);智能控制功能則是通過(guò)終端遠(yuǎn)程發(fā)送命令，使各節(jié)點(diǎn)按照一定的控制規(guī)則智能地控制本節(jié)點(diǎn)連接的各燈光狀態(tài)。

3 載波傳感控制節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

①硬件選型。首先是載波模塊的選型，本文選用的是HL-PLC V3.0載波通訊模塊，其采用FSK 通訊方式，軟件采用超級(jí)模糊算法，即使傳輸信號(hào)被干擾或丟失達(dá)40%，也能準(zhǔn)確還原出原載波信號(hào)，通訊穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，且能實(shí)現(xiàn)串口透?jìng)?，使用方便。其次是MCU的選擇，考慮到功能、功耗、安全、價(jià)格、抗干擾等方面因素，本文選取了宏晶STC單片機(jī)STC12C5A60S2，能很好滿足使用要求，可升級(jí)性也比較好。

②電源模塊。有兩部分組成，一是交流220V轉(zhuǎn)9V，用來(lái)給載波模塊供電，使用AC-DC WA5-220S09D3模塊來(lái)完成轉(zhuǎn)換;另一是9V轉(zhuǎn)5V，用來(lái)給單片機(jī)電路供電，使用LM1117-5.0搭建穩(wěn)壓電路即可實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 ?節(jié)點(diǎn)電源電路圖

③電流檢測(cè)模塊主要是使用電流檢測(cè)芯片ACS712再通過(guò)LM321放大電路對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，最后使用A/D轉(zhuǎn)換來(lái)得到結(jié)果，此電路可得到610mv/A的檢測(cè)信號(hào)，見(jiàn)圖3。

④控制執(zhí)行模塊可通過(guò)繼電器來(lái)完成，其電路圖如圖4。

⑤載波模塊接口設(shè)計(jì)，根據(jù)其功能，設(shè)計(jì)如圖5。

4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

要保證無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)之間以及同終端之間的數(shù)據(jù)交互能正確無(wú)誤、暢通無(wú)阻，需編寫一個(gè)通信協(xié)議來(lái)完成此項(xiàng)工作。由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互具有流量不大，內(nèi)容并不復(fù)雜等特點(diǎn)，可編寫簡(jiǎn)單協(xié)議來(lái)規(guī)范系統(tǒng)內(nèi)部的通信。本通信協(xié)議設(shè)計(jì)為8字節(jié)長(zhǎng)度，詳見(jiàn)表1。

其中類型用來(lái)區(qū)分是上位機(jī)的命令，還是無(wú)線節(jié)點(diǎn)的返回?cái)?shù)據(jù);對(duì)象標(biāo)記用來(lái)區(qū)分具體的無(wú)線節(jié)點(diǎn);值1、值2表示具體的命令及具體的狀態(tài)。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 載波傳感控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。載波傳感控制節(jié)點(diǎn)的主要工作是數(shù)據(jù)信息采集、執(zhí)行控制命令。為降低網(wǎng)絡(luò)流量，各節(jié)點(diǎn)除上電時(shí)收發(fā)下地址確認(rèn)信息等初始化數(shù)據(jù)，正常狀態(tài)下只是在命令反饋時(shí)或在檢測(cè)到故障時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖6所示。

5.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。 控制界面主要是控制燈開(kāi)關(guān)，同時(shí)還能顯示出燈的現(xiàn)有狀態(tài)。當(dāng)電路異常的時(shí)候界面也會(huì)及時(shí)地顯示出報(bào)警信息，程序運(yùn)行流程圖如圖7示。

6 總結(jié)

本系統(tǒng)研發(fā)的公共場(chǎng)所燈光智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)針對(duì)性強(qiáng)，成本較低，具有節(jié)能降耗并減少人工管理成本的特點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，如在應(yīng)用層的控制機(jī)制，載波傳感節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)采集等方面可加強(qiáng)，本文就不再討論。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊剛，等.電力線通信技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[2]宏晶公司.STC12C5A60S2增強(qiáng)型51單片機(jī)手冊(cè)[M].

[3]宏迅電子.HL-PLC V3.0載波模塊手冊(cè)[M].

作者簡(jiǎn)介：姚紫陽(yáng)（1976-），男，安徽阜陽(yáng)人，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)/模式識(shí)別。