淺談電力載波技術(shù)在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘? 要：通過(guò)對(duì)電力載波技術(shù)的原理與應(yīng)用進(jìn)行探討，針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，分析基于電力載波技術(shù)的照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用。旨在倡導(dǎo)節(jié)能減排，促進(jìn)資源的合理利用，避免不必要的電力浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng);電力載波;通信技術(shù)

0? ? 引言

電力載波通信技術(shù)，是以電力線作為傳輸媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的通信技術(shù)。它的工作原理是：通過(guò)對(duì)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼和調(diào)制，把信息上傳至信道上，并通過(guò)現(xiàn)有的電力線進(jìn)行傳輸，在接收端將耦合的信息解調(diào)，再譯碼后送給用戶端，從而完成信息的傳遞。電力線具有分布廣泛、直達(dá)用戶、接入操作簡(jiǎn)單、設(shè)備成本少等特點(diǎn)，利用它進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳遞各種信息，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。這種技術(shù)目前在電力生產(chǎn)、電網(wǎng)管理、智能抄電表等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1? ? 目前室內(nèi)照明系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1? ? 手動(dòng)控制，人工成本大

不論是實(shí)驗(yàn)室用燈光，還是家用燈光，都存在這樣的問(wèn)題：需要開(kāi)關(guān)燈時(shí)均是人工手動(dòng)操作。如果室內(nèi)面積較大，燈具較多且開(kāi)關(guān)距離較遠(yuǎn)的話，人工開(kāi)關(guān)燈還是比較費(fèi)時(shí)的，這樣不利于節(jié)約電能。針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的燈光使用更是如此，一般情況下實(shí)驗(yàn)室較為集中，但可能出現(xiàn)不同學(xué)科、不同實(shí)驗(yàn)室分布在一起的情況，這樣要控制某盞燈效率不高。

1.2? ? 多是分布式，不好集中控制

針對(duì)實(shí)驗(yàn)樓或多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)合，燈具的分布較為分散，如需開(kāi)關(guān)燈有可能要樓上樓下地跑。如為家用，一般情況下各個(gè)房間的燈光開(kāi)關(guān)都分布在每個(gè)房間，若要開(kāi)關(guān)其他房間的燈，必須去所在房間的開(kāi)關(guān)處才能進(jìn)行操作。

1.3? ? 故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)

目前需要通過(guò)人工進(jìn)行實(shí)地檢查才能看到每個(gè)燈具的工作狀態(tài)，才能針對(duì)有故障的燈具進(jìn)行維修。但如果房間較多且分散，那么要查找有故障的燈具是件耗時(shí)耗力的事情，要么需要專人排查故障，要么需要使用人員上報(bào)故障情況，不能實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

1.4? ? 燈光調(diào)節(jié)模式單一

需要開(kāi)關(guān)燈時(shí)都必須手動(dòng)操作，且燈具不能根據(jù)外界環(huán)境等自動(dòng)調(diào)節(jié)明暗程度;又或者室內(nèi)無(wú)人時(shí)，燈具不能自動(dòng)關(guān)閉，這樣勢(shì)必會(huì)造成電力資源的浪費(fèi)。

2? ? 幾種通信技術(shù)的比較

為了改善室內(nèi)照明系統(tǒng)存在的如上問(wèn)題，現(xiàn)介紹幾種無(wú)線通信技術(shù)。

2.1? ? 電力載波技術(shù)

電力載波技術(shù)是指利用現(xiàn)有的電力線進(jìn)行載波傳輸信號(hào)的技術(shù)，其特點(diǎn)是無(wú)需額外架設(shè)通信線路，利用現(xiàn)有的電力線路就可以進(jìn)行信號(hào)傳輸，所以其設(shè)備成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分布廣泛，可遠(yuǎn)程傳輸。目前，該技術(shù)在智能遠(yuǎn)程抄電表、智能家居中都有較成熟的應(yīng)用。但是該技術(shù)有以下缺點(diǎn)：配電變壓器會(huì)阻隔電力線中載波信號(hào)，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送;在傳輸過(guò)程中，由于傳輸線路上的噪聲，如線路上的電氣開(kāi)關(guān)狀態(tài)的改變或自然界中打雷等天氣對(duì)傳輸線的干擾等，都會(huì)造成電力線載波的信號(hào)衰減、不穩(wěn)定，并影響傳輸速率。

2.2? ? GPRS通信技術(shù)

GPRS英文簡(jiǎn)稱為“General Packet Radio Service”，中文名稱為通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。相對(duì)原來(lái)GSM撥號(hào)方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、快捷登錄、高速傳輸、自如切換等優(yōu)點(diǎn)。通俗地講，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶手上。GPRS是GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)過(guò)渡的一項(xiàng)2.5代通信技術(shù)，在許多方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，它特別適用于間斷的、突發(fā)性的、頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS可提供高達(dá)115 kb/s的傳輸速率，理論帶寬可達(dá)171.2 kb/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40～100 kb/s。其具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、永遠(yuǎn)在線和按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)三個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。但正因?yàn)椴捎昧朔纸M的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，GPRS會(huì)發(fā)生一些包丟失的現(xiàn)象。

2.3? ? ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee是一種無(wú)線連接，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz三個(gè)頻段上，分別具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10～75 m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加，其具有低功耗、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠安全等特點(diǎn)。ZigBee模塊廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、遙感勘測(cè)、農(nóng)林業(yè)、消防安全等領(lǐng)域。通過(guò)組網(wǎng)，將終端連接在模塊通信范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的路徑進(jìn)行搜索，分析位置關(guān)系，按照就近原則，選擇最近的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果傳輸斷連，再換稍遠(yuǎn)的通路進(jìn)行傳輸，最終建立一條傳輸數(shù)據(jù)的路徑。但是目前ZigBee芯片出貨量比較大的TI公司，其芯片成本均在2～3美元，再考慮到其他外圍器件和相關(guān)2.4 GHz射頻器件，成本難以低于10美元。同時(shí)，采用該技術(shù)進(jìn)行無(wú)線通信，信號(hào)穿墻能力弱，如在照明控制系統(tǒng)中應(yīng)用，針對(duì)多房間、多樓層的照明系統(tǒng)的集中控制，由于房間之間墻、門窗等的存在，信號(hào)傳輸都會(huì)受到一定的影響。

3? ? 調(diào)制解調(diào)技術(shù)的仿真

相比GPRS通信技術(shù)和ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，電力載波通信技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：電力載波是通過(guò)現(xiàn)有的電力線傳輸信號(hào)。在發(fā)送端將需傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行調(diào)制、編碼后上載到電力線通道上進(jìn)行傳輸，在終端位置又將接收到的信息通過(guò)解調(diào)、譯碼來(lái)完成信息的完整傳輸。普通照明系統(tǒng)屬于低壓配電線路，利用現(xiàn)有資源的分布，采用電力載波技術(shù)，投資成本較小又直達(dá)用戶，所以，電力載波技術(shù)十分適合應(yīng)用于照明系統(tǒng)的控制。

對(duì)于載波模塊，選用東軟載波ES1642，它是專用于220 V交流的性價(jià)比較高的模塊，其采用的是BPSK調(diào)制技術(shù)，其原理是：振幅和頻率保持不變，利用載波的相位變化來(lái)傳送數(shù)字信息。通常用初始相位0和π表示二進(jìn)制數(shù)1和0，即規(guī)定數(shù)字基帶信號(hào)為0時(shí)，已調(diào)信號(hào)相對(duì)于載波相位為π;數(shù)字基帶信號(hào)為1時(shí)，已調(diào)信號(hào)與載波信號(hào)同相位。進(jìn)行解調(diào)時(shí)，由于BPSK幅度不變，故需進(jìn)行相干解調(diào)。經(jīng)過(guò)帶通濾波的信號(hào)在相乘器與本地載波相乘，然后通過(guò)低通濾波將高頻成分去掉，最后進(jìn)行抽樣判決，正抽樣值判為1，負(fù)抽樣值判為0。

現(xiàn)利用MATLAB仿真其調(diào)制解調(diào)的過(guò)程。設(shè)計(jì)流程為：先利用rand隨機(jī)產(chǎn)生一組元素為10的數(shù)字序列，再根據(jù)BPSK的調(diào)制原理調(diào)制信號(hào)，接著利用相干解調(diào)法，將調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后和余弦信號(hào)相乘，再經(jīng)過(guò)低通濾波器進(jìn)行抽樣判決，最后得到解調(diào)后的波形。仿真結(jié)果如圖1所示。

部分程序如下：

%產(chǎn)生雙極性脈沖序列

g1=a; g2=～a;

g11=（ones（1，2000））'*g1; g1a=g11（：）';

g21=（ones（1，2000））'*g2; g2a=g21（：）';t=0：dt：10-dt; t1=length（t）;

psk1=g1a.*cos（2*pi*f*t）;

psk2=g2a.*cos（2*pi*f*t+pi）;

sig_psk=psk1+psk2;no=0.01*randn（1，t1）;sn=sig_psk+no;

%產(chǎn)生乘法器輸出信號(hào)和低通濾波后輸出信號(hào)

bpf=fir1（101，[19/1000，21/1000]）;H=filter（bpf，1，sn）;

sw=H.*cos（2*pi*f*t）;%乘法器輸出信號(hào)

lpf=fir1（101，[1/1000，10/1000]）;st=filter（lpf，1，sw）;%低通濾波后輸出信號(hào)

figure（2） subplot（2，1，1）;plot（t，sw）;

title （'乘法器輸出信號(hào)'）;ylabel （'幅度'）;subplot （2，1，2）;plot （t， st）;

title （'低通濾波后輸出信號(hào)'）; ylabel （'幅度'）;

%抽樣研判后進(jìn)行解調(diào)輸出

sig = zeros （1： t）;

for i = 1： length （t） if （st（i）>=0）? sig （i） = 0;? else? sig （i） = 1;

end

end

figure （3） subplot （2，1，1）; plot （sig）; axis（[0，20000，0，2]）;

title （'經(jīng)過(guò)抽樣判決后解調(diào)出的波形'）;

ylabel （'幅度'）; subplot （2，1，2）; plot （g1a）; axis （[0，20000，0，2]）;

4? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電力載波通信技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用空間，有必要開(kāi)展深度研究，開(kāi)發(fā)出性能更可靠、功能更多樣、使用更便捷的載波技術(shù)。隨著科技的不斷發(fā)展、新技術(shù)的不斷誕生，電力線載波技術(shù)也必將得到進(jìn)一步的改進(jìn)、發(fā)展和完善，同時(shí)也會(huì)使得照明控制更加智能化。

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收稿日期：2020-06-16

作者簡(jiǎn)介：翟逸飛（1983—），男，甘肅蘭州人，講師，主要從事智能控制的教學(xué)和研究工作。