楊秀增 蔣志年 韋樹貢

（廣西民族師范學(xué)院 物理與電子工程系，廣西 崇左 532200）

0 前言

隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，能源短缺[1]、能源安全[1]和能源環(huán)境[1]等問題日益突出，成為了制約我國經(jīng)濟(jì)民快速發(fā)展的瓶頸。黨中央高度重視，提出了節(jié)能減排的戰(zhàn)略決策。高校節(jié)能工作在各個(gè)高校迅速展開，建設(shè)節(jié)約型高校成為了他們建設(shè)目標(biāo)。教學(xué)樓是高校教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的重要場所[2-3]，也是高校的“用電大戶”，然而，日前由于高校教學(xué)管理上的落后，教學(xué)樓教室燈經(jīng)常出現(xiàn)了白天晚上“長明燈”等電能資源浪費(fèi)現(xiàn)象[2-3]，對建設(shè)節(jié)約型高校不利。

針對以上情況，本文利用自動控制和電力線載波技術(shù)，開發(fā)一套基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)樓照明燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓照明燈的遠(yuǎn)程集中實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到數(shù)學(xué)樓用電節(jié)能目的。由于本控制系統(tǒng)采用了成熟的電力線載波技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，不用重新施工和布線，因此，本控制系統(tǒng)在可靠性，設(shè)計(jì)成本等方面具有較好的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)整體方案及其工作原理

電力線載波通信技術(shù)，是一種以電力線作為信號傳輸媒介的特殊的擴(kuò)頻通信技術(shù)[4-5]。與其它通信方式相比，電力線載波通信技術(shù)具有傳輸可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[4-5]。目前，這樣技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于在線自動抄表[5]、電網(wǎng)負(fù)載控制[5]等自動領(lǐng)域中。圖1為利用此技術(shù)所設(shè)計(jì)的基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)樓照明燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)整體原理方框圖，由圖1可知，本遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，由監(jiān)控主機(jī)、教室燈遠(yuǎn)程控制開關(guān)、教室燈狀態(tài)LED顯示屏、教學(xué)樓220V電力線、教室燈節(jié)能控制從機(jī)和KQ-130F電力載波通信模塊六大部分組成。

監(jiān)控主機(jī)，是本系統(tǒng)的監(jiān)制主控，本主機(jī)除了能向教室燈節(jié)能控制從機(jī)發(fā)送開關(guān)命令外，還能接收從機(jī)發(fā)回的每盞燈狀態(tài)信息；照明教室遠(yuǎn)程控制開關(guān)，用于遠(yuǎn)程控制教室中每一盞燈的開與關(guān)，它與教室中每一盞燈的開關(guān)一一對應(yīng)，當(dāng)按下某個(gè)開關(guān)鍵時(shí)，監(jiān)制主機(jī)讀取、識別按鍵信息，并以命令的形式發(fā)送到相應(yīng)從機(jī)；教室燈狀態(tài)顯示屏，用于動態(tài)實(shí)時(shí)地顯示教室中每盞燈的狀態(tài)，教室中的每一盞燈都對應(yīng)一顆LED燈，監(jiān)控主機(jī)一旦收到從節(jié)能控制從機(jī)發(fā)回的教室燈狀態(tài)變化信息時(shí)，會實(shí)時(shí)更新顯示內(nèi)容，值班室工作人員，通過觀察LED燈的狀態(tài)，就能知道教室燈每一盞燈的當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)；KQ-130F通信模塊是成都科強(qiáng)電子公司生產(chǎn)載波調(diào)制解調(diào)模塊，它們之間通過教學(xué)樓照明電力線互聯(lián)，組建成一個(gè)基于電力線載波的通信局域網(wǎng)，用于傳輸遠(yuǎn)程開關(guān)燈控制命令和各教室燈狀態(tài)信息，當(dāng)值班室工作人員在值班室按下某一個(gè)教室遠(yuǎn)程控制開關(guān)時(shí)，監(jiān)控主機(jī)通過教學(xué)樓照明電力線，把開關(guān)燈命令發(fā)到指定的教室燈控制從機(jī)中，控制從機(jī)根據(jù)命令具體內(nèi)容，閉合或者切斷相對應(yīng)的燈的電源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開關(guān)燈功能。當(dāng)教室燈的狀態(tài)一旦變化，控制從機(jī)把教室燈的狀態(tài)變化信息發(fā)回到監(jiān)控主機(jī)，并用狀態(tài)顯示屏顯示出來。

圖1 教學(xué)樓照明整體設(shè)計(jì)原理方框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)送端電路設(shè)計(jì)

圖2為本系統(tǒng)發(fā)送端電路原理圖，主要由AT89C51、遠(yuǎn)程控制開關(guān)、LED顯示燈、KQ-130F電力載波通信模塊和多片74LS165與74LS164組成。

圖2 系統(tǒng)發(fā)送端電路原理圖

AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，是本系統(tǒng)發(fā)送端的控制中心。在本系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)與每個(gè)教室燈控制從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在發(fā)送端和接收端，都采用了KQ-130F電力載波通信模塊。KQ-130F通信模塊，采用基于交流零點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)[7]，它具有抗干擾能力強(qiáng)[7]，衰減強(qiáng)[7]，傳輸距離遠(yuǎn)[7]等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于自動抄表[7]，路燈控制[7]，智能家居[7]，消防安全[7]，樓宇控制[7]和電力線數(shù)據(jù)傳輸[7]等領(lǐng)域中。在應(yīng)用中，遠(yuǎn)程控制開關(guān)和LED顯示燈的數(shù)量一般是較多，而單片機(jī)的I/O口數(shù)量有限，為了有效地對這些開關(guān)和LED燈進(jìn)行控制，本系統(tǒng)中采用多片74LS165（并/串）和74LS164（串/行）轉(zhuǎn)換數(shù)字芯片加以解決。如圖2所示，74LS165是八位并行輸入/串行輸出移位寄存器，采用多片74LS165串連方法，把多位遠(yuǎn)程控制開關(guān)的并行輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，通過P1.2口送入單片機(jī)處理；74LS164是8 位串行輸入并行輸出的邊沿觸發(fā)式移位寄存器，采用多片串聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)LED燈的并行控制。

2.2 接收端控制電路設(shè)計(jì)[8]

本系統(tǒng)的接收端電路設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中，每一個(gè)教室燈從機(jī)能獨(dú)立地控制4盞燈的熄滅，本文以其中的一路節(jié)能燈控制電路為例，敘述本控制電路的工作原理。由圖3可知，本控制電路由KQ-130F電力線載波通信模塊、AT89C51單片機(jī)芯片、支路電流檢測電路和繼電器開關(guān)電路和開關(guān)按鍵組成。

KQ-130F電力線載波通信模塊通過串口與AT89C51單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。R2、T1、D1和J是繼電器開關(guān)電路，當(dāng)單片機(jī)P1.0為低電壓時(shí)，T1飽和導(dǎo)通，繼電器工作，電路被接通，照明燈被點(diǎn)亮。為了提高實(shí)用性，在本系統(tǒng)的每個(gè)接收端控制從機(jī)中，還設(shè)計(jì)了本地開關(guān)按鍵K1，當(dāng)按下K1鍵時(shí)，單片機(jī)P1.0輸出低電壓，點(diǎn)亮照明燈。為了及時(shí)地了解每間教室中各支路照明燈的工作狀態(tài)，在本系統(tǒng)中，專業(yè)設(shè)計(jì)了支路電流檢測電路。L1、U1、U2、U3和外圍元件構(gòu)成電流檢測電路，L1為電流互感器，R1、 R3和U1構(gòu)成一個(gè)反向比例放大電路，R4、R5、R6、D1、D2和U2為精密全波整流電路，R7、R8和U3為一個(gè)比較器電路。因?yàn)殡娏骰ジ衅鞯母袘?yīng)出來的電流的信號微弱，因此，用U1比例放大器對這一信號進(jìn)行放大，其放大倍數(shù)在1000倍以上。放大的信號通過精密全波整流電路整流之后，再通過C1進(jìn)行濾波取其直流成分，被送到U3比較器進(jìn)行比較，當(dāng)直流成分的電壓高于比較器的正相輸入端的電壓時(shí)，比較器輸出低電壓，表明支路中有電流通過，照明燈工作正常，如果比較器輸出高電壓時(shí)，照明燈工作異常

圖3 接收端節(jié)能燈控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電力線載波通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

電力線載波通信信道是一個(gè)非理想的時(shí)變系統(tǒng)[4][9]，衰減嚴(yán)重，干擾信號和噪聲復(fù)雜[9]，為了適應(yīng)這一通信信道的特點(diǎn)，在通信時(shí)，采用數(shù)據(jù)幀通信形式，如表1所示，通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括幀長度，目的地址，源地址，控制字和數(shù)據(jù)五個(gè)部分。根據(jù)KQ-130F電力線載波通信模塊使用手冊可知，通過設(shè)置該模塊的MODE腳[7]，可以設(shè)置該模塊工作模式，當(dāng)MODE腳被設(shè)置為高電壓時(shí)，工作在透明工作方式[7]，當(dāng)MODE腳被設(shè)置為低電壓時(shí)，此模塊工作在自定義模式[7]，本設(shè)計(jì)采用自定義模式，在此中，第一個(gè)字節(jié)是幀的傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，其范圍為0-250，即一幀中最大能傳輸250字節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)控主機(jī)與每個(gè)教室燈節(jié)能控制從機(jī)都分配了唯一的8位地址，監(jiān)控主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址分配為0地址?？刂谱钟糜趥鬏斁W(wǎng)絡(luò)控制命令，包括開關(guān)燈遠(yuǎn)程控制命令和返回?zé)魻顟B(tài)控制命令兩種。狀態(tài)數(shù)據(jù)用于記錄傳輸教室燈的當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)教室從機(jī)收到監(jiān)控主機(jī)發(fā)來的返回?zé)魻顟B(tài)控制命令時(shí)，從機(jī)馬上把本教室燈的當(dāng)前狀態(tài)發(fā)回到監(jiān)控主機(jī)。

表1 通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.2 電力線載波通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)用KQ-130通信模塊組建通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，因此通信模塊沒有載波監(jiān)聽功能，如在網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)模塊同時(shí)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，會發(fā)生沖突，會發(fā)生傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。為了避免沖突，在本設(shè)計(jì)中，采用時(shí)間分片的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，即每個(gè)從機(jī)要與監(jiān)控主機(jī)通信時(shí)，只能在它指定的時(shí)間片內(nèi)進(jìn)行。圖4為本系統(tǒng)程序流程圖，其中圖4（a）為監(jiān)控主機(jī)的主程序流程圖，其中圖4（b）為教室從機(jī)串口中斷服務(wù)程序流程圖。在圖4（a）中，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括對串口的初始化等，然后判斷指定教室的遠(yuǎn)程控制開關(guān)是否按下，如果有動作，在數(shù)據(jù)包控制字單元中寫入切換燈命令，如果沒有動作，則在數(shù)據(jù)包控制字單元中寫入返回?zé)魻顟B(tài)命令，然后，填好從機(jī)地址，把數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去。最后，打開監(jiān)控主機(jī)的串口中斷，等待教室燈控制從機(jī)響應(yīng)。如果監(jiān)控主機(jī)在指定的時(shí)間內(nèi)沒得到某一從機(jī)的響應(yīng)，表明此間的控制從機(jī)不能正常工作，關(guān)串口中斷，發(fā)下間教室的數(shù)據(jù)包?？傊O(jiān)控主機(jī)通過周期性發(fā)不同地址的數(shù)據(jù)包與每一間教室的控制從機(jī)聯(lián)系。在接收端，一旦接收到從監(jiān)制主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，從機(jī)就運(yùn)行串口中斷服務(wù)程序，其程流程圖如圖4（b）所示。當(dāng)從機(jī)讀到5個(gè)字符時(shí)，就對數(shù)據(jù)包的地址進(jìn)行分析：如果不是本教室的數(shù)據(jù)包，則返回；如果是本教室的數(shù)據(jù)包，則對數(shù)據(jù)包的控制字進(jìn)行分析，如果是切換燈命令，則執(zhí)行切換燈操作，如果是返回?zé)魻顟B(tài)命令，則把本教室中所有燈的當(dāng)前狀態(tài)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)給監(jiān)控主機(jī)。由此可見，從機(jī)要想與主機(jī)通信，只有收到是本地?cái)?shù)據(jù)包時(shí)，才能與主機(jī)通信，從而避免了數(shù)據(jù)沖突。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)束語

節(jié)能減排是當(dāng)今社會發(fā)展的主題，建設(shè)節(jié)約型高校是所有高校共同的目標(biāo)，教學(xué)樓是高校的重要的組成部分，其用電量較大，其樓耗電量占學(xué)校所有耗電的40%左右[10]，因此，如何有效地對教學(xué)樓的照明燈進(jìn)行智能化、科學(xué)化管理，達(dá)到節(jié)能照亮的目的，具有重大的意義。

本文針對目前高校教學(xué)樓用電存在浪費(fèi)的現(xiàn)象，利用電力線載波通信和自動控制技術(shù)[11-13]，開發(fā)了遠(yuǎn)程教學(xué)樓照明燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制功能，它成本低廉、施工簡單，有一定的實(shí)用價(jià)值與推廣價(jià)值。

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