基于電力載波的智能校園節(jié)電系統(tǒng)研究

殷明

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，淮南232001）

引 言

目前我校校園的照明系統(tǒng)仍在沿用簡單的人工控制方式。這無疑不利于照明節(jié)電，常常存在忘記關(guān)燈等現(xiàn)象，浪費(fèi)嚴(yán)重，而且燈具數(shù)量、照明耗電等難以量化管理。故有必要進(jìn)行照明用電控制方式的革新，采用先進(jìn)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式可以從根本上杜絕無謂的浪費(fèi)，而且可以規(guī)范照明用電的管理。

電力線載波通信技術(shù)是電力系統(tǒng)特有的一種通信技術(shù)，它是指利用電力線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術(shù)。它為用戶提供數(shù)字化社區(qū)服務(wù)和電子商務(wù)，提供高速因特網(wǎng)訪問服務(wù)、話音服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)家庭辦公和遠(yuǎn)程家電控制，還可實(shí)現(xiàn)防火、防盜、防有毒氣體泄漏。電力線載波模塊是電力線載波通信的核心部件和硬件基礎(chǔ)，它使實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻和電力傳輸?shù)摹八木W(wǎng)合一”成為可能。

1 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：上位機(jī)、主機(jī)、從機(jī)。由PC作為上位機(jī)，對整個(gè)系統(tǒng)起到監(jiān)視和控制的作用。主機(jī)由一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)和載波通信模塊組成。從機(jī)由單片機(jī)、通信模塊和一些外圍設(shè)備組成，如一些A／D采樣單元、地址編碼單元。

主機(jī)通過電力線載波的串行通信方式對從機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。一個(gè)通信數(shù)據(jù)包由8字節(jié)數(shù)據(jù)組成：第1、第2字節(jié)是主機(jī)標(biāo)識；第3字節(jié)是命令；第4、5字節(jié)是從機(jī)地址；第6～8字節(jié)為數(shù)據(jù)。主機(jī)采用廣播方式發(fā)送命令數(shù)據(jù)，從機(jī)收到通信包后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：一是識別主機(jī)是否是自己的上級主機(jī)；二是識別從機(jī)地址是否是自己的地址；只有在全部確認(rèn)無誤后從機(jī)才執(zhí)行命令和相應(yīng)的操作。

從機(jī)直接監(jiān)控電燈的狀態(tài)，通過電力線載波接收電路接收來自主機(jī)的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成對電流、電壓、溫度的采樣處理，判斷電燈是否工作正常，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷路燈的工作狀態(tài)是否正常。如果工作狀態(tài)異常，就執(zhí)行相應(yīng)的操作，保護(hù)電燈，并把數(shù)據(jù)和警告發(fā)送給主機(jī)。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 主要器件的選擇和相關(guān)的性能

PL2102是專為電力線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器，僅由單一的＋5V電源供電，有一個(gè)外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通信控制功能外，還內(nèi)置了5種常用的功能電路如可數(shù)字頻率校正的實(shí)時(shí)鐘電路、32字節(jié)SRAM、電壓監(jiān)測、看門狗定時(shí)器及復(fù)位電路。它們通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口與外部的微處理器相連，其中實(shí)時(shí)時(shí)鐘與32字節(jié)SRAM在主電源掉電的情況下，可由3V備用電池供電繼續(xù)保持工作。PL2102是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，并采用大規(guī)模數(shù)字／模擬混合0.35μm CMOS工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國內(nèi)外同類產(chǎn)品性價(jià)比等方面有著出眾的表現(xiàn)。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8KB Flash、512字節(jié)RAM、32位I／O口線、看門狗定時(shí)器、4KB EEPROM、MAX810復(fù)位電路、3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率為35MHz，6T／12T可選。

2.2 電路設(shè)計(jì)

電力線載波電路的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分：電力載波信號接收電路和發(fā)送電路，如圖1所示。

圖1 載波收發(fā)電路結(jié)構(gòu)

載波接收和發(fā)射原理如圖2所示。接收信號部分：D1主要用于箝位，以防止過大的浪涌電流；C1、C2和L2并聯(lián)諧振工作在f＝120KHz，具有對120KHz信號的選頻作用，對輸入的微小信號進(jìn)行放大，從而提高接收輸出靈敏度。發(fā)射信號部分：發(fā)射回路電容C3、電感L1（18μH／200mA）用于調(diào)整發(fā)射電流和波形，減小C3和增大L1將減小發(fā)射電流和改善波形；反之，將增大發(fā)射電流和波形失真情況。由于線圈的帶載能力一定，調(diào)整C3和L1將影響線圈的發(fā)射功率和自身功耗。4個(gè)晶體管逐級放大，4個(gè)二極管起保護(hù)作用。發(fā)射電壓VHH影響發(fā)射功率的大小，隨著發(fā)射電壓的下降，發(fā)射功率也下降，發(fā)射電壓越高晶體管的自身功耗越大，一般發(fā)射電壓選10～18V。

圖2 載波電路原理圖

數(shù)據(jù)處理及控制電路如圖3所示。當(dāng)PL2102收到的載波信號經(jīng)內(nèi)部電路處理后，它將解調(diào)出數(shù)據(jù)位信息，并經(jīng)RXD＿TXD引腳輸出，同時(shí)HEAD引腳同步輸出低電平。當(dāng)STC89C52的INT0產(chǎn)生中斷并接收位后，會根據(jù)預(yù)定格式合成相應(yīng)的指令信息；同時(shí)根據(jù)指令中所規(guī)定的時(shí)間設(shè)置來修改開關(guān)燈時(shí)間及開燈的比例，并執(zhí)行開關(guān)燈的操作等。另外，它還將在開燈后監(jiān)控電流、溫度等參數(shù)，以便在嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)執(zhí)行保護(hù)措施，同時(shí)及時(shí)給主機(jī)發(fā)送故障原因信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 載波部分軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，并全部采用模塊化編程。該部分的軟件編程中，如何接收并發(fā)送載波信號是重點(diǎn)。圖4給出了載波通信接收流程，圖5是載波通信發(fā)送流程。

3.2 單片機(jī)與上位機(jī)通信部分設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用中斷的方式與PC通信，通過設(shè)置UART中斷控制寄存器的中斷控制位使能該中斷。單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖6所示。

上位機(jī)程序在Visual Basic 6.0（VB）環(huán)境下開發(fā)。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動(dòng)編程模式，并可以使用無限擴(kuò)增的控件。利用VB可以使用3種方法完成串口通信：第一種是用VB提供的具有強(qiáng)大功能的通信控件；第二種方法是調(diào)用Windows API函數(shù)，使用Windows提供的通信函數(shù)編寫移植性強(qiáng)的應(yīng)用程序；第三種是利用文件的輸入／輸出完成，該方法簡單易行，但有一定的局限性。

圖3 數(shù)據(jù)處理及控制電路

圖4 載波通信接收流程

本系統(tǒng)采用第一種方法進(jìn)行上位機(jī)程序開發(fā)，即應(yīng)用VB提供的通信控件MSComm，文件名為MSCOMM.VBX。該控件具有完善的串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，可對串口狀態(tài)及串行通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。通過此控件，PC機(jī)可利用串行口與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)輕松連接，簡單高效地實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。

圖5 載波通信發(fā)送流程

圖6 單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程

4 系統(tǒng)測試與運(yùn)行

為了能更好地對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，在校園教室內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝實(shí)驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行情況來看，系統(tǒng)能夠按照所設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行正常的工作。經(jīng)過近一年的運(yùn)行測試，系統(tǒng)工作正常，能耗降低近30%。

當(dāng)然，在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)過程中也遇到了很多需要改進(jìn)的問題，例如：如何跨變壓器進(jìn)行載波通信；如何提高數(shù)據(jù)的傳輸距離；如何在硬件上改善短路后造成的整個(gè)線路故障；如何檢測照明燈是否損壞等等。

結(jié) 語

本文主要研究了電力線載波通信技術(shù)以及其在校園照明節(jié)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過設(shè)計(jì)載波通信模塊及各控制器的硬件、通信協(xié)議、系統(tǒng)軟件及上位機(jī)管理軟件，利用現(xiàn)有的低壓輸電網(wǎng)傳送信號，并將其應(yīng)用于照明控制系統(tǒng)、系統(tǒng)既提高了管理效率，又節(jié)約了能源，減少了電費(fèi)支出，還延長了燈具的使用壽命，具有很好的應(yīng)用前景。

［1] 戴佳.51單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M] .北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［2] 姚遠(yuǎn)，呂康，董世龍，等.基于電力線載波通信技術(shù)的公共路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J] .武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2001（9）.

［3] 張瑞紅.51兼容載波通信單片機(jī)PL3105的通信軟件設(shè)計(jì)［J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（7）.

［4] Niovi Paylidou，A J Han Vinck，Javad Yazdani.Power Line Communication：State of the Art and FutureTrends［J] .IEEE Communications Magazine，2003，41（4）：34－40.

［5] John Newbury，Wi11iam Miller.Multiprotocolrouting for automatic Remote Meter Reading Using Powerline Carrier Systems［J] .IEEE Transactions on PowerDelivery，2001，16（1）：1－5.

［6] CC Shen，Z Huang，C Jaikaeo.Ant－baseddistributed topology control algorithms for AP HOCmobile networks［J] .Wireless Networks，2005，11（3）：299－317.