基于電力載波的樓宇燈光集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳進(jìn)熹，朱 鴻，丁潔瑾

(1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.杭州宏訊電子科技有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

傳統(tǒng)的照明控制方法是用開關(guān)控制照明設(shè)備的通路與斷路。這樣的控制方法使得樓宇管理員無法在管理室內(nèi)控制照明設(shè)備，不便于集中控制。當(dāng)使用者忘記關(guān)閉照明設(shè)備時(shí)，管理者也無法知道設(shè)備是否在使用中，造成能源的浪費(fèi)，所以集中的照明設(shè)備控制系統(tǒng)非常重要[1]。

現(xiàn)有的照明設(shè)備集中控制系統(tǒng)主要采用兩類控制方法。第一種是對建筑里的照明設(shè)備架設(shè)網(wǎng)絡(luò)通訊電纜，組成有線通訊網(wǎng)絡(luò)，管理室設(shè)控制終端，對建筑物照明集中控制。這種方法網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性高且穩(wěn)定性好[2]。但是要架設(shè)專用的通訊線纜，成本很高且后期維護(hù)不便。第二種方法是采用無線組網(wǎng)，優(yōu)點(diǎn)是無需鋪設(shè)通訊線，組網(wǎng)方便。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，實(shí)時(shí)性低[3]。

采用基于電力載波方法設(shè)計(jì)樓宇照明設(shè)備集中控制系統(tǒng)不僅不用鋪設(shè)通訊線纜，而且相對無線網(wǎng)絡(luò)其穩(wěn)定性更高[4]。采用專用的信號調(diào)制解調(diào)器還可以定制協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)多種控制要求。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

照明設(shè)備集控系統(tǒng)硬件電路由控制部分和通訊部分組成，控制部分組成如圖1所示。

圖1 控制電路框架圖Fig.1 Frame diagram of control circuit

控制電路的數(shù)據(jù)交互接口與調(diào)制解調(diào)部分相連，用串口進(jìn)行數(shù)字量交換。邏輯輸出接繼電器等邏輯控制設(shè)備，進(jìn)行照明設(shè)備的亮滅控制。數(shù)字信號輸出接復(fù)雜控制照明設(shè)備，控制燈光亮度、色彩、角度等。調(diào)制解調(diào)部分的電路包括調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)交互接口、載波信號接收濾波放大電路、載波信號發(fā)送濾波放大電路。調(diào)制解調(diào)器采用宏訊公司自主研發(fā)的調(diào)制解調(diào)芯片HLPLCS520F，該芯片使用FSK調(diào)制解調(diào)方式。HLPLCS520F內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示：

圖2 HLPLCS520F結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structure principle HLPLCS520F

HLPLCS520F采用110kHz頻率作為載波中心頻率，111kHz頻率表示信號1109kHz頻率表示信號0。外部電路的設(shè)計(jì)要基于110kHz頻率。在發(fā)送端需要對信號進(jìn)行放大，以提高信號的輸出功率[5]。調(diào)制器輸出的信號中會有一些雜波信號，在輸出端要進(jìn)行濾波處理[6]，可采用如圖3所示的濾波及放大電路。載波信號輸出功率較大，而模塊體積較小，需設(shè)計(jì)放大能力強(qiáng)發(fā)熱量小的放大電路，本設(shè)計(jì)采用D類放大器做放大電路。MOS管放大電路能有效降低功耗，減少電路發(fā)熱。

圖3 輸出放大濾波電路Fig.3 Amplifying and Filter circuit of output

圖3中FSK_OUT輸出頻率信號，經(jīng)放大電路后形成方波信號，經(jīng)過濾波電路(C1、L1)后輸出正弦波信號送到電網(wǎng)，圖3電路電壓放大幅度取決于VPLC的大小。C1和L1組成LC串聯(lián)諧振電路，起到選頻作用，本方案采用110kHz作為中心頻率。根據(jù)諧振頻率計(jì)算公式計(jì)算C1和L1的取值。

(1)

其中f0為諧振中心頻率，L為電感L1的值，C為電容C1的值。為提高LC串聯(lián)諧振電路的選頻能力，在合理范圍內(nèi)選取LC串聯(lián)電路的Q(串聯(lián)電路品質(zhì)系數(shù))，Q值計(jì)算公式：

(2)

取Q值為100，計(jì)算得L1值取10μH，C1值取200nF。

信號經(jīng)過電網(wǎng)傳送至接收端會有很多雜波信號，所以在接收端必須有濾波電路，接收端濾波電路可采用LC并聯(lián)諧振電路，電路如圖4所示。

圖4 接收濾波電路Fig.4 Recieving filter circuit

其中R2為接收端等效內(nèi)阻。LC并聯(lián)諧振Q值計(jì)算公式為：

(3)

為保證濾波器選頻能力，同時(shí)考慮元器件選型，將LC并聯(lián)諧振的Q值選取為100。根據(jù)式(1)和式(3)計(jì)算LC并聯(lián)諧振電路的L2和C2的值，經(jīng)計(jì)算得L2值為7μH，C2的值為300nF[7]。電路實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 載波調(diào)制解調(diào)器實(shí)物圖Fig.5 Photo of Carrier modem

基于信號收發(fā)模塊，系統(tǒng)整體構(gòu)架圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體構(gòu)架圖Fig.6 System architecture diagram

3 系統(tǒng)軟件協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用主從式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式，一主多從，為了提高整體網(wǎng)絡(luò)的效率，不允許從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互。樓宇的照明設(shè)備控制所需命令不多，主要以邏輯信號為主，所以系統(tǒng)軟件協(xié)議棧的數(shù)據(jù)幀格式可以做的盡量簡潔。電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，在數(shù)據(jù)幀前添加報(bào)文頭。數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)幀格式Fig.7 Data frame format

報(bào)文頭以9BH開頭，通知電網(wǎng)上的照明設(shè)備站點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，16位地址去掉主機(jī)和廣播地址占用的地址外可以提供65534個(gè)從照明設(shè)備地址，足以滿足樓宇照明需求。控制端2位代碼用來表示后面數(shù)據(jù)的作用。數(shù)據(jù)代碼是信息載體，主機(jī)通過數(shù)據(jù)告訴從照明設(shè)備要做什么[8]。電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，為了保證數(shù)據(jù)的正確，采用海明校驗(yàn)的方法對前面地址段，控制段和數(shù)據(jù)段進(jìn)行校驗(yàn)。26位數(shù)據(jù)要5位校驗(yàn)碼，達(dá)到海明距離3，能查出兩個(gè)錯(cuò)誤位且能修正一個(gè)錯(cuò)誤位。保證地址段、控制段和數(shù)據(jù)段的絕對可靠。協(xié)議設(shè)計(jì)保證照明設(shè)備接入電網(wǎng)后可以自動組網(wǎng)，利用分槽式ALOHA方法把信道時(shí)間分成離散的時(shí)間槽，每個(gè)站點(diǎn)只能在時(shí)間槽開始時(shí)才允許發(fā)送，某個(gè)從站如果在前面的時(shí)間槽占用了信道，則其它從站等待下一次機(jī)會。在主站發(fā)送完一個(gè)新設(shè)備尋址幀后，主設(shè)備等待一段時(shí)間，這段時(shí)間分為4個(gè)時(shí)間槽，如果有新的設(shè)備加入電網(wǎng)，它可以在4個(gè)時(shí)間槽內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀，這樣如果有兩個(gè)新設(shè)備同時(shí)加入電網(wǎng)，那么在4個(gè)時(shí)間槽能隨機(jī)選擇到前面時(shí)間槽的設(shè)備先占用信道，后發(fā)送的設(shè)備檢測到已有設(shè)備要占用信道，則放棄這一次競爭等待下一周輪詢。如果兩個(gè)設(shè)備在一個(gè)時(shí)間槽內(nèi)同時(shí)發(fā)出應(yīng)答幀，則會出現(xiàn)亂碼，主站不能識別報(bào)文頭，放棄改幀，新設(shè)備沒有收到主站的配置幀，則等待下一個(gè)周期[9]。(見圖8)

圖8 無沖突訪問照明設(shè)備增加機(jī)制Fig.8 Conflict-free access mechanism

ALOHA沖突時(shí)的訪問機(jī)制如圖9所示。

圖9 沖突訪問機(jī)制Fig.9 Conflict access mechanism

3 總結(jié)

本文簡述了基于電力載波通訊方式的樓宇照明

設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了適合樓宇照明設(shè)備的通訊系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。本文所述設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于多家公司，效果良好。

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