郭秀梅 姜灤生 李艷萍 侯桂成 崔金花

(1.河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 昌黎 066600;2.燕山大學(xué)里仁學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

教室是學(xué)校照明用電的主要部分。教室燈光照度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為室內(nèi)平均照度300 lx，這樣高的照度要求，如果沒有合理控制方案，能源上將造成巨大的浪費(fèi)。因此將智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)用于普通教室、階梯教室具有相當(dāng)?shù)膶?shí)際意義。對于學(xué)校而言，使用調(diào)光控制方式顯然造價(jià)過高，難以接受，而且教學(xué)樓的燈具大多選擇了日光燈，調(diào)光控制需要專用的調(diào)光鎮(zhèn)流器，比較煩瑣。因此，開關(guān)控制是學(xué)校教室照明主要的控制方式。

本文結(jié)合學(xué)校實(shí)際電路，利用電力線通訊，采用PLCBUS協(xié)議，設(shè)計(jì)了教學(xué)樓內(nèi)各教室統(tǒng)一控制燈的低成本智能照明控制系統(tǒng)。

1 教室照明特點(diǎn)

高校教學(xué)樓為長廊類設(shè)計(jì)，教室在長廊一側(cè)或兩側(cè)，配電為照明與插座分別由不同空開控制。同一側(cè)教室自然采光和燈光布局基本相同，一般每個(gè)教室采用兩個(gè)照明回路，分別給兩組燈光供電，每組燈由一個(gè)空開控制，并在教室內(nèi)有墻壁開關(guān)控制。教室單獨(dú)還有一插座回路。如圖1所示。

2 基于電力線通訊PLCBUS技術(shù)

PLCBUS技術(shù)采用 PulsePositionModulation(PPM)脈沖相位調(diào)制法。它是利用電力線的正弦波作為同步信號，在四個(gè)固定的時(shí)序中發(fā)送瞬間電脈沖來傳遞信號的。每半個(gè)50Hz的正弦波周期可以傳遞一個(gè)PLCBUS脈沖信號，PLCBUS脈沖信號出現(xiàn)在半個(gè)正弦周期里的4個(gè)固定位置中的一個(gè)位置。每個(gè)位置可以搭載2bit的信息，在50Hz的電力線上，1s可以傳輸200bit的數(shù)據(jù)。因?yàn)椴捎秒娒}沖通訊，PLCBUS信號可以傳遞得很遠(yuǎn)。如圖2所示。

圖1 教室照明系統(tǒng)圖

2.1 PLCBUS的通訊格式和數(shù)據(jù)傳遞方法

PLCBUS信號的傳輸信息包基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLCBUS信號總是有2－1－1－2這樣的字節(jié)開始作為START信號為“起始字節(jié)”。起始字節(jié)之后的5個(gè)字節(jié)稱為“Header”標(biāo)題字節(jié)。標(biāo)題字節(jié)里包含有許多基本信息，比如數(shù)據(jù)的長度、接收地址信息、發(fā)射器的信息、是否需要反饋等等。在標(biāo)題字節(jié)后是PLCBUS的數(shù)據(jù)字節(jié)，可以包含0～18個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。用這些數(shù)據(jù)字節(jié)可以傳遞諸如燈光亮度、調(diào)光步長、信號質(zhì)量等數(shù)據(jù)。最后一個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)位，用于判斷接收到的數(shù)據(jù)是否正確。

圖2 PLCBUS信號幀的載波位置示意圖

圖3 PLCBUS傳輸信息包的基本結(jié)構(gòu)

在PLCBUS協(xié)議中，地址是分成兩部分定義的。NID(Network ID)在最終用戶那里稱為“用戶碼”，DID(Destination ID)在用戶那里稱為“房間碼+單元碼”，NID共有8bit，可以組成256個(gè)不同的地址，DID也是8bit，也可以組成256個(gè)不同的地址碼。NID(Network ID)和 DID(Destination ID)統(tǒng)稱為接收數(shù)據(jù)用的地址碼，但NID有5位地址碼另有他用，所以 PLCBUS的基本地址碼就是250256=64000個(gè)。

PLCBUS-9402393控制芯片是采用PLCBUS協(xié)議通訊進(jìn)行照明控制的專用芯片，采用此芯片可方便的組成實(shí)用智能照明系統(tǒng)。

3 PLCBUS-9402393芯片

PLCBUS-9402393引腳如圖4所示。

圖4 PLCBUS-9402393引腳圖

PLCBUS-9402393引腳說明見表1所示。

利用芯片可組成接收模塊和發(fā)送控制模塊，發(fā)送控制模塊可對不同地址發(fā)送控制指令，每個(gè)接收模塊可存儲(chǔ)多個(gè)地址，相同地址響應(yīng)控制指令，系統(tǒng)可以方便的控制不同設(shè)備的開關(guān)，系統(tǒng)既可針對一個(gè)模塊單獨(dú)控制，又可以對多個(gè)模塊同時(shí)控制。

表1 PLCBUS-9402393引腳說明

4 教室智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 PLCBUS智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成

PLCBUS智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為主控模塊、從控模塊和照度傳感器模塊三部分。其中從控模塊可以設(shè)置多個(gè)地址，主控模塊和傳感器模塊發(fā)出地址控制指令，具有相同地址的接收模塊根據(jù)指令作出響應(yīng)，打開或關(guān)閉燈光。通過對接收模塊設(shè)置地址的分組，可實(shí)現(xiàn)對所有教室的燈光分片和分區(qū)域的控制。PC機(jī)和控制器也可發(fā)出用戶開或關(guān)閉指令，使相同用戶碼的所有教室燈光打開或關(guān)閉。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 智能照明系統(tǒng)組成圖

根據(jù)學(xué)校實(shí)際一般教室有兩組照明電路，可劃分為亮區(qū)暗區(qū)兩個(gè)區(qū)域，分別在亮區(qū)暗區(qū)安裝照度傳感器，照度傳感器與發(fā)送控制模塊連接，可根據(jù)傳感器狀態(tài)發(fā)送不同指令，控制教室兩個(gè)區(qū)的照明電路燈光開閉。每個(gè)教室可在配電箱或墻壁開關(guān)內(nèi)安裝照明接收器，每個(gè)接收器可控制兩個(gè)回路燈光，每個(gè)回路允許的最大電流2.5A～6A(如接入繼電器可控制更大電流)。多個(gè)教室可以為一個(gè)區(qū)，同一區(qū)發(fā)射器和接收器使用同一個(gè)用戶碼，接收器指令只接收同一用戶碼的發(fā)射器指令。教室內(nèi)的墻壁開關(guān)可安裝在接收器之后，在接收器開始供電后，墻壁開關(guān)控制室內(nèi)燈光打開關(guān)閉。

由于同側(cè)教室采光具有相同性，以任一個(gè)教室兩個(gè)區(qū)采集的光照數(shù)據(jù)作為同側(cè)教室照明電路的控制參數(shù)，控制同側(cè)同區(qū)教室的燈光開閉。

4.2 智能照明系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

4.2.1 接收模塊的電路設(shè)計(jì)

采用PLCBUS-9402393芯片設(shè)計(jì)的接收模塊電路如圖6所示。一個(gè)接收模塊可以控制兩個(gè)照明回路，分別由芯片的12腳和13腳控制，每個(gè)回路可以設(shè)置一個(gè)主地址和15個(gè)副地址。接收模塊的19和22管腳連接電力線，從電力線上接收指令，芯片判斷其指令中的目的地址是否與模塊某接收到指令后判斷其指令中的目的地址是否與模塊某回路的地址相同，如相同按照指令代碼對芯片12腳或13腳輸出高電平，Q1和Q2三極管9014起放大電流的作用，電流增大至信號繼電器OJT-SS-112LM動(dòng)作電流后，使繼電器線圈導(dǎo)通，則K1或K2閉合，照明回路LOAD1或LOAD2導(dǎo)通，燈光打開。如按照指令芯片12和13管腳無高電平輸出或輸出值小于信號繼電器動(dòng)作電流時(shí)，則相應(yīng)照明回路關(guān)斷，燈光關(guān)閉。接收模塊執(zhí)行完控制指令后將發(fā)送反饋信息給控制模塊。墻壁開關(guān)可安裝在接收模塊后，只有在模塊供電后，才能使用墻壁開關(guān)打開燈光，這樣可以有效節(jié)約電能。

4.2.2 控制模塊電路設(shè)計(jì)

芯片的5，6，7，8管腳分別連接4個(gè)按鈕 K1，控制模塊電路如圖7所示。K1，K2，K3，K4，通過對芯片的預(yù)設(shè)置可以使每個(gè)按鈕發(fā)送不同的地址控制指令，例如設(shè)置K1觸發(fā)時(shí)芯片向電力線上發(fā)送B1 on指令，則當(dāng)按鈕K1按下時(shí)，模塊發(fā)送B1 on指令，地址為B1的接收模塊的相應(yīng)照明回路的開關(guān)將閉合，燈光打開。設(shè)置K2觸發(fā)時(shí)芯片向電力線上發(fā)送B1 off指令，則當(dāng)按鈕K2按下時(shí)，模塊發(fā)送B1 off指令，地址為B1的接收模塊的相應(yīng)照明回路的開關(guān)將打開，燈光關(guān)閉。芯片的10和11腳連接PC或MCU進(jìn)行通訊，可完成發(fā)出控制指令和對模塊芯片設(shè)置功能。

圖6 接收模塊照明燈光控制電路

圖7 控制模塊電路

4.2.3 照度傳感器控制電路設(shè)計(jì)

圖8 照度傳感器控制電路1

圖9 照度傳感器控制電路2

照度傳感器采用On9668，是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)光控閥值可調(diào)的光電集成傳感器。電路如圖8，圖9所示?？刂颇K電路中的按鈕K1，K2，K3，K4采用照度傳感器電路代替，芯片 PLCBUS-9402393的 5，6，7，8管腳各連接一個(gè)照度傳感器。當(dāng)環(huán)境亮度達(dá)到照度傳感器Uadj設(shè)置值時(shí)，OUT管腳輸出高電平或低電平，OUT管腳連接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，這樣從Q端輸出脈沖信號，輸入到PLCBUS-9402393芯片管腳5，6，7，8端，相當(dāng)于觸發(fā)控制模塊電路的 K1，K2，K3，K4任意按鍵，就可發(fā)出相應(yīng)控制指令。圖8為環(huán)境照度大于設(shè)定值時(shí)，發(fā)送觸發(fā)脈沖的電路，圖9為環(huán)境照度低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)送觸發(fā)脈沖的電路。

傳感器模塊作為發(fā)射器使用，傳感器模塊連接兩個(gè)亮度傳感器。每個(gè)接收器有不同地址。假設(shè)暗區(qū)接收器地址為B1，亮區(qū)接收器為B2，也可將所有同側(cè)教室的暗區(qū)接收器設(shè)為B1，亮區(qū)接收器設(shè)為B2，照度傳感器檢測到低于特定照度時(shí)，傳感器模塊K1就會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)送B1 on指令，所有地址為B1的模塊都會(huì)接收指令從而供電，教室暗區(qū)的燈就會(huì)打開;當(dāng)另一照度傳感器檢測到高于特定照度時(shí)，暗區(qū)傳感器模塊K2就會(huì)動(dòng)作，發(fā)送B1 off指令，所有地址為B1的模塊都會(huì)接收指令斷電，教室暗區(qū)的燈就會(huì)關(guān)閉。這樣實(shí)現(xiàn)暗區(qū)燈光根據(jù)本區(qū)域的實(shí)際亮度進(jìn)行自動(dòng)打開和關(guān)閉，保障教室一定的照度。對于亮區(qū)區(qū)域也同樣控制。

表2 教室智能控制時(shí)間表

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，教室1，2只在早上和晚上由人工操作控制器，開關(guān)教室的燈光，其他時(shí)間系統(tǒng)可利用帶照度傳感器的控制模塊根據(jù)環(huán)境亮度的變化分區(qū)域發(fā)出不同的指令，打開和關(guān)閉燈光，教室不會(huì)出現(xiàn)長明燈的現(xiàn)象，這樣在滿足教室照明亮度的前提下，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

通過實(shí)驗(yàn)，此設(shè)計(jì)可以根據(jù)照度實(shí)現(xiàn)對燈光的分布式自動(dòng)控制，也可單獨(dú)控制或分區(qū)域控制，控制方便，系統(tǒng)便于人工和自動(dòng)切換，方便擴(kuò)充和管理，具有很好的實(shí)用價(jià)值。PC機(jī)也可作為控制器發(fā)出開或關(guān)閉指令，使相同用戶碼的所有教室燈光打開或關(guān)閉。

總結(jié)

此系統(tǒng)利用普通電力線傳輸控制信號實(shí)現(xiàn)對燈的智能控制，所以無論新教學(xué)樓還是投入使用的教學(xué)樓用戶都可以使用，用戶只要在配電箱或墻壁開關(guān)上安裝接收模塊，幾個(gè)教室按裝發(fā)送控制模塊，就能輕松實(shí)現(xiàn)智能化;系統(tǒng)中沒有中央控制主機(jī)，PC機(jī)作為一個(gè)多功能控制器使用，可隨時(shí)加入和撤出，用戶可以像搭積木一樣隨意按需布置，多個(gè)控制器控制范圍用戶可自己設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)分布控制，也可統(tǒng)一控制管理。

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