基于電力載波的智能LED燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙建平，邵建龍，陳 廣，張 燚（昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明　650051）

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基于電力載波的智能LED燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙建平，邵建龍，陳 廣，張 燚
（昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明650051）

摘 要：針對目前常規(guī)的LED燈控制系統(tǒng)存在通信距離近、成本高、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于電力載波通信的智能LED燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于C8051F411單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了電力載波通信，并借助Modbus協(xié)議及自擴(kuò)展的Modbus協(xié)議，在不改變原有電力線和E27螺口燈泡的情況下，即可進(jìn)行對LED燈開關(guān)控制、256級(jí)亮度控制及故障自檢操作，適用于在一個(gè)變壓器回路中需要對最多247只LED燈的燈光進(jìn)行更遠(yuǎn)距離亮度控制和準(zhǔn)確控制的場合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有操作簡單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電力載波；智能LED；故障自檢；控制器；E27螺口；Modbus協(xié)議

1 引 言

近年來，隨著大功率白光LED技術(shù)的發(fā)展，照明產(chǎn)業(yè)開始面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。LED越來越多地被應(yīng)用于通用照明領(lǐng)域［1］，在遠(yuǎn)程抄表、路燈智能控制等遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用［2］。LED照明的智能化程度還不夠高，在場景控制和燈光亮度調(diào)節(jié)方面技術(shù)還不夠成熟［3-4］，而且存在無故障自檢功能、維護(hù)不便，靈活性低，可擴(kuò)展性差等問題［5-6］。

公知的電力載波技術(shù)通常是單獨(dú)作為通信技術(shù)來使用的，由它構(gòu)成的電力載波LED燈控制系統(tǒng)還需要增加MCU微處理器，進(jìn)行相應(yīng)編程，導(dǎo)致成本增加，且控制距離在一個(gè)變壓器回路中不能超過1km［7］，不能滿足對遠(yuǎn)距離燈光進(jìn)行準(zhǔn)確控制的要求。基于上述背景，設(shè)計(jì)了一種基于電力載波通信的智能LED燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了Silicon Labs公司的C8051F411單片機(jī)高速、高可靠性、低功耗、超強(qiáng)抗干擾性、豐富的外圍模塊等性能特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對LED遠(yuǎn)程開關(guān)控制、燈光調(diào)節(jié)、燈光故障檢測和通信等多項(xiàng)功能，同時(shí)性能穩(wěn)定，成本低。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

基于電力載波通信的智能LED 燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由主控制器和各個(gè)照明點(diǎn)處的智能LED燈組成。主控器通過220V電力線與各個(gè)照明處的智能LED燈連接，利用現(xiàn)有的電力線，通過載波方式將高頻數(shù)字信號(hào)加載到電力線上，用電力線實(shí)現(xiàn)控制器與各個(gè)照明點(diǎn)處的智能LED燈的數(shù)據(jù)傳輸，因此電力線不僅為設(shè)備提供了電源，也提供了信息通信的途徑［8］。主控制器和各照明點(diǎn)處被控的智能LED燈采用相同的異步串行通信協(xié)議Modbus，在僅有一個(gè)主控制器的情況下可以同時(shí)對多個(gè)電力載波智能LED燈進(jìn)行控制。在正常情況下，當(dāng)主控制器發(fā)出Modbus命令時(shí)，通過電力載波模塊將信號(hào)耦合到電力線上，經(jīng)電力線傳輸?shù)剿羞B接在電力線上的電力載波智能LED燈，通過它們的電力載波模塊將信號(hào)解調(diào)，經(jīng)過單片機(jī)識(shí)別處理串行數(shù)據(jù)之后進(jìn)行相應(yīng)操作并將開關(guān)狀態(tài)和反饋信號(hào)傳回到主控制器，主控制器根據(jù)接收到的串行數(shù)據(jù)即可知道所要操作的電力載波智能LED燈是否按照了命令要求執(zhí)行。

圖1 智能LED燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2電力載波智能LED燈組成

電力載波智能LED燈的組成框圖如圖2所示。

圖2 電力載波智能LED燈的組成框圖

智能LED燈主要由MCU通信檢測控制模塊、電力載波模塊、電源模塊、光檢測模塊、LED燈板組成。MCU通信檢測控制模塊主要負(fù)責(zé)LED輸出控制、PWM調(diào)光控制、采集光檢測模塊的反饋信息以及與主控制器的通信控制；電力載波模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)制解調(diào)在電力線上的載波信號(hào)；光檢測模塊主要負(fù)責(zé)檢測LED燈亮滅狀態(tài)以及LED故障檢測。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1MCU控制電路

MCU控制電路如圖3所示，采用了Silicon Labs公司的C8051F411高性能單片機(jī)為控制核心。C8051F411具有高集成性能，集成了高精度可編程的內(nèi)部振蕩器、32KB片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器等豐富的外圍模塊［9］。結(jié)合其內(nèi)部集成的可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）提供增強(qiáng)的定時(shí)器功能，產(chǎn)生電力載波模塊在電力線信號(hào)正負(fù)過零點(diǎn)處時(shí)發(fā)送的120HKz載波信號(hào)以及混頻解調(diào)所需的600KHz、460KHz高頻方波信號(hào)。C8051F411具有的交叉開關(guān)功能使得控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)變得更加靈活和方便。

圖3 MCU控制電路

3.2電力載波模塊電路

電力載波模塊電路如圖4所示，電力載波模塊發(fā)送時(shí)，由MCU通信控制檢測模塊的檢測單片機(jī)檢測到AC_in在電力線信號(hào)正負(fù)過零點(diǎn)（即下降沿）時(shí)根據(jù)需要串行傳輸?shù)男盘?hào)，按照為1產(chǎn)生120KHz信號(hào)，為0不產(chǎn)生的原則將信號(hào)由RX-TX輸出120KHz的信號(hào)，通過發(fā)送濾波電路后利用耦合電路把信號(hào)耦合到T4上，實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)調(diào)制耦合到電力線上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電側(cè)和弱電側(cè)的電氣隔離。接收時(shí)，來自電力線上的120KHz載波信號(hào)經(jīng)過高頻耦合線圈T4在經(jīng)過諧振選頻電路、濾波電路將120KHz的載波信號(hào)連接到單片窄帶調(diào)頻接收芯片的RF_in（即U8的16管腳），再與單片機(jī)產(chǎn)生的600KHz信號(hào)、460KHz信號(hào)進(jìn)行混頻差頻，所產(chǎn)生的20KHz差頻信號(hào)從U8的10管腳輸出，再經(jīng)過低通濾波電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)接到單片機(jī)的I/O口，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串行載波信號(hào)的解調(diào)接收。

圖4 電力載波模塊電路

3.3其他電路

電源模塊電路如圖5所示，電源電路的AC1、AC2輸入電壓接到220V電力線上，通過電容C63，電阻R57分壓和限流之后接到整流芯片DB2交流輸入管腳3、4上，DB2輸出V +電壓，經(jīng)過場效應(yīng)管Q1接到16V穩(wěn)壓管Z1，得到16V電壓，再接到三端穩(wěn)壓芯片78L05輸出5VDC電壓。

圖5 電源模塊電路

LED燈板電路如圖6所示。

圖6 LED燈板電路

LED燈板采用發(fā)光二極管分別串聯(lián)起來再并接到場效應(yīng)管Q1的漏極和源極，場效應(yīng)管Q1的漏極和源極接到電源模塊的整流芯片直流輸出管腳即V +和16V的直流電壓上，三極管Q9的基極信號(hào)線LED-ON接到單片機(jī)C8051F411的I/O口，實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)對LED燈的開關(guān)控制，同時(shí)I/O口輸出占空比從0.000～1.000可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)時(shí)，LED燈的亮度就從最亮調(diào)節(jié)到熄滅。

光檢測電路采用光敏電阻經(jīng)過三極管放大電路處理后，經(jīng)過單片機(jī)C8051F411的A/D轉(zhuǎn)換采集處理，實(shí)現(xiàn)了光敏電阻檢測LED燈亮滅狀態(tài)和故障檢測。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

C8051F411程序設(shè)計(jì)采用功能模塊化設(shè)計(jì)，包括Modbus通信模塊和應(yīng)用控制模塊。Modbus通信實(shí)現(xiàn)與主控制器的數(shù)據(jù)或者命令的傳輸功能；應(yīng)用控制程序主要負(fù)責(zé)執(zhí)行主控制器通過Modbus傳輸?shù)目刂泼畹裙δ?。在接收主控制器發(fā)送信息時(shí)，電力載波模塊捕獲電力載波信號(hào)，解析處理后傳遞給單片機(jī)控制單元，經(jīng)過單片機(jī)的分析處理之后輸出0.000～1.000可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，LED燈的亮度就從最亮調(diào)節(jié)到熄滅；同時(shí)可將光檢測電路的LED燈亮滅狀態(tài)和故障自檢信息發(fā)送到主控制器。其工作流程如圖7所示。

在該控制系統(tǒng)中，主控制器和各照明點(diǎn)處被控的智能LED燈采用相同的異步串行通信協(xié)議Modbus，在僅有一個(gè)主控制器的情況下可以同時(shí)對多個(gè)電力載波智能LED燈進(jìn)行控制。主控制器和N只智能LED燈連接在同一個(gè)變壓器回路里，且最遠(yuǎn)的智能LED燈離主控制器在電力線上的距離不超過1km，即主控制器發(fā)出的Modbus命令可以傳輸?shù)矫恳粋€(gè)智能LED燈。當(dāng)主控制器需要控制第2只智能LED燈時(shí)，發(fā)送以下06號(hào)Modbus命令如表1所示。序號(hào)a命令為全開2號(hào)燈，亮度為（1-0x00/0xFF）% 即100%；序號(hào)b命令為開2號(hào)燈，亮度為（1-0x40/0xFF）%即74.9%；序號(hào)c命令為全關(guān)2號(hào)燈，亮度為（1-0xFF/0xFF）%即0%。以上Modbus命令中第一個(gè)字節(jié)02為LED設(shè)備地址，即命令是發(fā)給2號(hào)燈的，只有2號(hào)燈接收到此命令會(huì)執(zhí)行，其它燈因?yàn)榈刂凡环焕頃?huì)此命令。第六個(gè)字節(jié)即是控制亮度的反占空比，最后兩個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)碼。

圖7 工作流程

表1 06號(hào)Modbus發(fā)送命令

當(dāng)2號(hào)燈正確執(zhí)行了命令并檢測到燈光，沒有故障后，它返回相應(yīng)的06號(hào)Modbus應(yīng)答信息如表2所示。序號(hào)a應(yīng)答信息，即全開2號(hào)燈成功；序號(hào)b應(yīng)答信息即開2號(hào)燈成功，亮度為74.9%；序號(hào)c應(yīng)答信息即全關(guān)2號(hào)燈成功。當(dāng)2號(hào)燈執(zhí)行了命令但檢測不到燈光，有故障后，它返回相應(yīng)的Modbus應(yīng)答信息為：02 06 FF FF C9 ED。如果主控制器接收不到2號(hào)燈的返回信息，說明2號(hào)燈沒有接在電力線網(wǎng)絡(luò)里，或者已經(jīng)出現(xiàn)通信問題，或者已經(jīng)損壞。同理，主控制器通過Modbus協(xié)議依次對要進(jìn)行控制的LED燈進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對各照明點(diǎn)處的多個(gè)智能LED燈進(jìn)行開關(guān)控制、256級(jí)亮度控制及故障自檢操作。

如果主控制器和N只智能LED燈連接在同一個(gè)變壓器回路里，相鄰兩只LED燈之間的距離不超過1km。但高序號(hào)的智能LED燈離主控制器的距離比較遠(yuǎn)，不能直接接收到主控制器發(fā)出的Modbus命令，即主控制器發(fā)出的Modbus命令只可以傳輸?shù)降谝粋€(gè)智能LED燈，相鄰兩只LED燈之間又可以相互通信，則本系統(tǒng)通過如下Modbus自定義擴(kuò)展協(xié)議的方法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離智能LED燈中繼控制。

表2 06號(hào)Modbus應(yīng)答信息

先用06號(hào)Modbus命令實(shí)現(xiàn)正向傳遞：

（1）addr06 11 01 00 XX，主控制器控制地址號(hào)為addr的LED燈亮度反占空比為XX的中繼命令，給01號(hào)LED燈發(fā)出命令。

（2）addr 06 11 02 00 XX，01號(hào)LED燈接收到主控制器發(fā)來的正向傳遞中繼命令，轉(zhuǎn)發(fā)給02號(hào)LED燈。

（3）addr 06 11 03 00 XX，02號(hào)LED燈接收到01號(hào)LED燈發(fā)來的正向傳遞中繼命令，轉(zhuǎn)發(fā)給03 號(hào)LED燈。

以上Modbus命令中第一個(gè)字節(jié)addr為最終要控制的LED燈的地址，第三個(gè)字節(jié)11為正向傳遞，第四個(gè)字節(jié)為下一個(gè)接收命令的LED燈地址，此處省略最后兩個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼。接收到此命令的LED燈如果不是最終被控制的LED燈，它就只是把命令傳遞給下一個(gè)LED燈而不執(zhí)行控制亮度操作。當(dāng)最終被控的LED燈接收到上一個(gè)LED燈傳遞過來的命令后，地址相符，就執(zhí)行命令，并檢測有無故障，最后把結(jié)果用反向傳遞中繼命令沿原路返回。下面為addr =03時(shí)的情況：（d）addr 06 22 02 00 XX，addr =03號(hào)LED燈執(zhí)行了主控制器的命令后，返回正確信息給02號(hào)LED燈。

（4）addr 06 22 01 00 XX，02號(hào)LED燈接收到03號(hào)傳遞過來的反向傳遞中繼命令，又轉(zhuǎn)發(fā)給01 號(hào)LED燈。

（5）addr 06 22 00 00 XX，01號(hào)LED燈接收到02號(hào)傳遞過來的反向傳遞中繼命令，又轉(zhuǎn)發(fā)給00號(hào)即主控制器。

以上Modbus命令中第一個(gè)字節(jié)addr為最終要控制的LED燈的地址，第三個(gè)字節(jié)22為反向傳遞，第四個(gè)字節(jié)為下一個(gè)接收命令的LED燈地址。這樣主控制器就可以知道addr號(hào)LED燈執(zhí)行命令的情況。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于電力載波通信的智能LED控制系統(tǒng)，完成了軟硬件開發(fā)，設(shè)計(jì)出了一套完整的系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：其一，將電力載波模塊集成到LED燈內(nèi)部，不需要外接MCU微控制器，不需要改變原有的電力線和E27螺口燈泡接口，節(jié)省了費(fèi)用；其二，利用光敏電阻檢測LED燈運(yùn)行狀態(tài)以及LED故障檢測，主控制器可通過Modbus協(xié)議對各照明點(diǎn)處的多個(gè)智能LED燈進(jìn)行開關(guān)控制、256級(jí)亮度控制及故障自檢操作；其三，Modbus自定義擴(kuò)展協(xié)議的方法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離智能LED燈中繼控制，為電力載波在更遠(yuǎn)距離的應(yīng)用提供了新的可行參考方案。

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Design of Intelligent LED Light Control System Based on Power Line Carrier

Zhao Jianping，Shao Jianlong，Chen Guang，Zhang Yi
（School of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China）

Abstract：As the current conventional LED light control system has some disadvantages of short communication distance，higher costs and complex cooperation，etc，an intelligent LED light control system based on a power line carrier communication is designed.For the new system，the power line carrier communication is achieved based on C8051F411 microcontrollers.With the help of the Modbus protocol and the self-expanded Modbus protocol，the LED light switch，the 256-level brightness control and fault self-detection operation can be made without changing the original power lines and the E27 screw socket bulbs.In a transformer circuit，for a maximum of 247 LED lights，the system is suitable for the light brightness control and accurate control in further distance.The experimental results show that the system has the advantages of simple operation，stable performance and so on.

Key words：PLC；Intelligent LED；Fault self-detection；Controller；E27 screw；Modbus protocol

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.020

中圖分類號(hào)：TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-2279（2016）02-0077-05

作者簡介：趙建平（1991-），男，安徽省淮南市鳳臺(tái)縣人，碩士研究生在讀，主研方向：智能化信息處理系統(tǒng)。

收稿日期：2015-07-27