電力載波技術在實驗室照明系統中的應用

翟逸飛

摘 要：基于電力載波通信技術，本文通過對電力載波技術的原理與應用進行探討，針對學校實驗室的照明系統，分析基于電力載波技術的實驗室照明控制系統的應用。旨在倡導節(jié)能減排，促進資源的合理利用，避免不必要的電力浪費。

關鍵詞：電力載波;照明控制系統

1 目前實驗室照明系統中存在的問題

目前的高校實驗室，多是集中在一起，或是獨立成棟。不同學科，不同實驗室的分布，導致諸如以下問題：

1.1 能源消耗較大

傳統的室內照明系統，上課時由開門人員開燈，下課后若管理人員不及時關燈或課后學生忘記關燈，那么存在課后一段時間內室內無人情況的照明，如若這種情況的實驗室較多，就會產生不必要的電能浪費，造成不必要的經濟損失。

1.2 監(jiān)控管理方式落后

傳統的監(jiān)控模式，不能具體到每一盞燈，無法對單燈運行情況進行實時且準確的監(jiān)控管理，如若某盞燈出現故障，不能及時反饋到維修人員，也不能對故障的處理情況進行更新和分析。同時，傳統監(jiān)控管理方式不能實現遠程操作功能，只能進行實地查看。

1.3 維護效率較低

一般實驗樓都配有專門的管理員，負責實驗室平時的水電監(jiān)控和管理。傳統的監(jiān)控方式是逐一房間、逐一樓層的檢查，看是否有下課后沒關水電的情況。這種方式較為粗放，不能具體到每一盞燈。管理員通常首先看是否存在浪費電能的情況，但若要排查哪幾盞燈出現故障，出現故障的燈具位于實驗樓何位置，還得進行逐一開關燈進行排查，或者由實驗室使用人員進行上報故障，費時費力，不能精細化管理每盞燈的狀態(tài)信息。

2 電力載波通信技術概述

電力載波通信技術，是以電力線作為傳輸媒介來實現數據傳遞和信息交換的通信。它的工作原理是：將信號源發(fā)出的信號通過編碼，再進行調制，把信息上傳在信道上并通過現有的電力線進行傳輸，在接收端將耦合的信息解調，再譯碼后送給用戶端，這樣完成的信息的傳遞。電力線具有分布廣泛、直達用戶、接入操作簡單、設備成本少等特點。利用它進行數據通信，傳遞各種信息，結構簡單、維護方便。這種技術目前在電力生產、電網管理、智能抄電表等領域廣泛應用。

3 系統原理與結構

系統結構為控制端、載波網關、節(jié)點及被控燈組成，系統結構如圖1所示。這里采用電力載波技術，各節(jié)點及網關之間采用載波通信。在被控部分，由各載波傳感控制節(jié)點組成，節(jié)點通過繼電器連接燈具從而進行開關控制。為了檢測的準確性，各節(jié)點設計加入多重傳感器，如紅外傳感器監(jiān)測實驗室內的人員上下課情況以確保開關燈的無誤差。同時，為了實現對室內燈具狀態(tài)的監(jiān)測，還進行有電流檢測環(huán)節(jié)，從而通過電流的變化對連接到本節(jié)點燈光的故障狀態(tài)進行檢測，方便快速維修。客戶界面的設計包含燈具的開關狀態(tài)的讀取顯示和控制及燈具故障檢測功能組成。其中，燈具開關的讀取與控制是通過節(jié)點反饋燈光點的狀態(tài)并結合紅外傳感器的狀態(tài)，進行的遠程開關燈操作，如節(jié)點反饋燈具為點亮，同時室內紅外傳感檢測無人時，等待一定的時間后，若仍無檢測到有人信號出現，則進行自動關燈操作;燈具故障檢測功能通過檢測各節(jié)點的燈具故障信號，如出現故障，在控制界面閃爍報警信號，來提示工作人員方便、準確的進行維修處理。

單燈監(jiān)控器需要安裝在實驗室要控制的每個照明燈上。當某盞燈的監(jiān)控器接收到通過電力線傳輸過來的數據命令，對信號進行解調和譯碼，完成相應的指令操作，如開關燈，調光，故障查詢等，當燈具執(zhí)行完指令后將電信號通過監(jiān)控器再反饋給控制終端，通過控制終端的顯示界面可以查詢照明系統的工作情況，如遇故障可以通過界面看到是哪個房間哪盞燈出現故障，同時，在顯示界面上出現如燈光閃爍、聲音報警等信號以提示管理人員進行檢修。

常用的無線通信技術有電力載波技術，GPRS無線技術和ZigBee無線通信技術。GPRS無線傳輸設備主要針對工業(yè)級應用，其基于GSM消息平臺及GPRS數據網絡，可實現遠距離數據信息傳輸。ZigBee無線技術同樣具有專用芯片，主要用于距離短、功耗低的不同種電子設備間的信息傳遞。

對于采用單純的利用電力載波通信技術，會存在信號衰減的問題，同樣若采用單純的無線通信，信號在傳輸過程中由于障礙物的阻擋，會導致信號衰減、傳輸距離有限的問題。所以，通常，采用兩者結合的方式進行遠程照明系統的控制。

（1）通過電力載波通信和GPRS網絡結合，組成遠程無線監(jiān)控系統，實現遠程通信，遠程控制。其工作原理為：通過計算機控制照明系統網絡，經GPRS網絡與采集器進行連接，采集器通過電力線傳輸指令來控制所在線路上的照明狀態(tài)。如遇照明故障，信息由照明終端發(fā)送故障信號通過電力線傳送至采集器模塊，再通過GPRS網絡將接收到的狀態(tài)返回給計算機。通過監(jiān)控界面，可以準確看到是哪路照明出現的故障。

（2）通過電力載波和ZigBee無線通信技術結合，實現照明系統的遠程控制。其工作原理為：通過計算機作為總控，向主控模塊發(fā)送指令及接收其反饋的照明狀態(tài)信息。主控模塊將計算機發(fā)送的信號進行編碼、調制后傳送到電力線上。ZigBee無線通信模塊通過中繼功能解決信號的衰減，同時可以有效的在電力載波信號受阻線路上實現中繼傳輸。從而達到提高通信質量的目的。

4 上位機設計

考慮到系統顯示界面可擴展到觸摸屏上，并通過觸摸屏做上位機進行照明系統的操作，所以設計利用組態(tài)軟件MCGS將嵌入式一體化觸摸屏接入系統中。通過觸摸屏軟件操作，可直接進行燈具的開關、燈光亮度的調節(jié)、燈光狀態(tài)指示燈顯示、歷史數據的查詢等操作。這里模擬設計了對電工實驗室的3盞燈的狀態(tài)顯示、亮度調節(jié)和遠程控制開關。設計軟件界面如圖2所示。通過軟件界面，除了可完成對3盞燈的單獨控制，包括是否有故障、亮度調節(jié)和開關燈的功能，還能在按下群控按鍵后實現對3盞燈的同步控制：按下任意一組控制開關可實現對全部燈具的開關動作，拉動任意一個亮度調節(jié)的滑動條均可實現對3盞燈的亮度同步調節(jié)功能。如要退出群控功能，則再次按下群控按鈕即可。

5 實驗室照明控制系統的發(fā)展方向

相比教室的使用率，部分實驗室的使用可能每學期較為集中在一兩個月中，可以說實驗室的照明分為兩部分，集中使用期和空閑期。針對這一特點，實驗室的照明系統的智能控制可以有以下幾方面的發(fā)展：

5.1 控制智能化

現如今，隨著科技發(fā)展，新一代的網絡技術發(fā)展迅速，全社會在大力普及5G技術，利用5G的高速網絡功能，結合電力載波技術，可實現在手機終端就可實時監(jiān)控室內照明情況，這樣相比傳統的專人負責，專人巡查的方式可以得到改變，節(jié)省人力，控制更便捷。

5.2 平臺的可擴展化

實驗室不同于教室，實驗樓在下課時期可能整棟樓都無人，設備看管、防火等問題就比較凸顯，所以系統除了實現智能照明控制外，還可擴展更多功能，如加入聲、光、煙霧的監(jiān)測報警功能。這樣的實時監(jiān)控可以大大降低火災事故的發(fā)生，減少損失，保障安全使用。

5.3 實驗室的管理集中化

高校實驗中心或實驗樓，多數集中了多學科的實驗室，以方便使用和管理。但各個實驗室的管理可能不統一，可能會出現某個樓層或某間實驗室的照明為按要求正常開關或出現故障的情況。采用集中式管理，能夠進行照明的單個房間的控制、一層樓的控制以及多層多室的控制，并將照明狀態(tài)數據反饋管理員，以方便集中管理和維修。

5.4 調節(jié)模式的多樣化

用傳感器實現多種功能的調節(jié)，如用紅外傳感器進行檢測室內是否有人，如若燈亮以及室內無人且達到一定的時間，系統可自動執(zhí)行關燈程序而無需手動操作。或者按照課程表安排，系統實現自動按時開關燈操作。同時，根據室外環(huán)境亮度變化，可以自動調節(jié)室內照明燈具的明暗，以達到電能的最大利用率又避免過度照明產生的光照污染及電能浪費。

6 結語

綜上所述，電力載波通信技術具有廣闊的應用空間。有必要深度研究，開發(fā)出性能更可靠、功能更多樣、使用更便捷的載波技術。隨著科技的不斷發(fā)展、新技術的不斷誕生，電力線載波技術也必將會得到進一步的改進、發(fā)展和完善，同時也會使得照明控制更加智能化。

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