摘要：利用電力線載波通信技術在原有照明供電線路基礎上實現了樓宇公共照明系統的遠程監控。系統設計簡單、施工方便，不需要布線和線路改造，只對原有照明控制開關進行改進，具有自動定時監控和實時控制功能，實現對線路上所有照明設備的監控?？刂平K端不僅能替代原有控制開關，而且還可以對照明燈泡是否出現故障進行檢測，并及時上報故障信息。
關鍵詞：公共照明；電力線載波通信；遠程監控；控制終端

0 引言
樓宇公共照明是指建筑內樓道、走廊、車庫以及室外亮化等公共電力照明系統，公共照明系統的監控是智能樓宇的重要組成部分，合理地設計照明系統的智能控制系統可以有效地降低能耗，在許多新建大型建筑中得到應用。但是目前多數建筑中仍采用傳統的手動開關的照明控制方式，管理方式落后，容易造成能源浪費，可以在原有供電系統上設計獨立的智能照明控制系統，改變傳統的照明控制方式，更科學、有效地管理照明用電。文獻表明，許多研究人員在照明智能控制系統領域做了很多工作，有采用C-Bus總線和CAN總線的控制系統，也有采用ZigBee傳感器網絡技術等無線傳輸模塊的控制系統。有線控制方式可以保證監控信號的可靠傳輸，但系統需要單獨布線，安裝不方便，無線
數據傳輸避免了布線，但需要設計、安裝無線數據傳輸網絡。利用電力線載波通信可以借助傳統供電系統的供電線路作為通信信道，不需要重新布線，只要在照明燈具上安裝控制終端即可，安裝控制方便，是照明系統智能監控系統的最優方案。

1 照明監控系統的組成
電力線載波通信技術，是利用電力線傳送數據的一種通信方式，最初的應用主要集中在高壓遠距離輸電線路上，隨著技術的發展，在中、低壓配電網線路中也得到了廣泛應用。樓宇照明監控系統中的電力線通信是一種低壓電力載波窄帶通信技術，就是借助已經布好的建筑照明低壓供電線路進行數據通信的一種方式。

系統由中心監控站和控制終端組成，它們都通過電力載波調制解調器與電力線相連，中心監控站可以安裝在樓宇配電控制室內或值班室內，通過電力線向安裝在供電線路上的控制終端發送控制命令，控制終端安裝在受控照明燈具附近，實時接收中心控制站發出的命令，完成對照明燈的開關控制，同時檢測照明燈的工作狀態。

2 系統硬件設計
2．1 電力線載波通信模塊
目前用于電力線通信的芯片有很多，意法半導體(ST)公司的ST7538電力線收發器憑借其較好的性能，在小數據量低速數據傳輸方面得到了廣泛應用，可用于大規模的自動讀表系統和家庭、樓宇的自動化解決方案中。ST7538是一種半雙工、同步／異步FSK調制解調器芯片，內部集成了電力線驅動接口，具有發送和接收數據的所有功能，只要通過耦合變壓器等少量外圍器件即可連接到電力網中，通過串行可以方便地與微處理器相連接。芯片具有八種載波頻率和四種通信速率，可以通過編程進行選擇，同時芯片還具有載波偵測、看門狗、過零檢測、溫度保護等功能。

電力線載波通信模塊主要電路組成如圖2所示，單片機通過串口與ST7538進行數據交換，完成數據的發送和接收。設計中采用異步串口通信方式，不對控制寄存器進行操作，ST7538的UART／SPI管腳接高電平，REG DATA管腳接低電平，系統工作在132．5kHz調制頻率信道，數據傳輸速率為2400bit／s。發送數據時首先判斷載波監聽信號管腳CD／PD，該管腳為高電平時說明信道中沒有數據進行傳輸，然后通過I／O端口使RxTx引腳為低電平，數據以設定的波特率通過TXD傳輸給ST7538處理器，發送數據經過調制、濾波和差分放大后，由引腳ATOP1、ATOP2通過電力線接口電路發送到電力線上。由于其內部集成了電力線驅動接口，外圍電路設計比較簡單，由電容、電感、電阻構成的二階帶通濾波電路和1：1隔離變壓器組成，元件的參數設計需根據選擇的信道頻率確定。隔離變壓器的輸出端一端接在供電線路的零線N上，一端通過電感和X2安規電容構成的濾波電路接在火線L上，圖中虛線框內的耦合電路是將信號發送到三相供電線路中，只應用在中心監控站。通過電力線傳輸的調制信號通過耦合濾波電路由模擬輸入端RAI管腳進入ST7538，通過濾波、解調等處理后形成串行數字信號由RXD管腳將信號送入單片機串口接收端。
2．2 中心監控站模塊
中心監控站單片機選擇了帶雙串口接口的STC單片機STC12C5A08S2，外圍模塊主要由時鐘芯片、電力線通信模塊、與計算機進行串口通信的電平轉換接口模塊。系統中心監控站需根據時間信息向控制終端發送控制命令，DS12C887時鐘芯片具有實時時鐘功能，而且片上帶有128字節RAM，其中113字節可以作為單片機的外部存儲器使用，芯片自帶鋰電池，掉電時內部RAM信息不丟失，時鐘能正常工作。單片機P0口與DS12C887的地址數據端口相連，通過Intel數據總線的方式對DS12C887中的RAM進行讀寫操作，包括工作模式設定、時間信息設定、鬧鐘時間設定以及其他數據信息的存儲等。時鐘芯片的中斷請求輸出端連接到單片機P3．2管腳(外部中斷0)，單片機通過設定鬧鐘時間，利用時鐘中斷的方式向控制終端發出開關照明設備命令。每天的開關時間信息存儲在掉電不丟失的時鐘芯片內部RAM中。單片機具有雙串口結構，其中一個串口及P1．6、P1．7與電力線通信模塊連接完成電力線載波通信的數據發送和接收，另外一個串口通過RS232電平轉換芯片與中心管理站的電腦相連，通過串口與電腦進行數據通信。

2．3 照明控制終端模塊
照明終端監控電路由電力載波通信模塊、工作電流檢測模塊、開關控制模塊和控制按鍵及工作狀態指示電路等幾部分組成，電路設計如圖4所示。處理器選用了AT89C2051單片機，其串口和I／O端口P1．6、P1．7與電力線載波通信模塊相連，完成數據的發送和接收。單片機系統通過電流互感器檢測照明線路中工作狀態下的電流，可以判斷照明燈具是否出現損壞等故障。電流互感器的變比為1000：1，工作時輸出的電流比較小，先通過集成運放1進行信號放大及電流電壓轉換，集成運放2和集成運放3組成精密整流電路對信號進行整流，再通過電容濾波得到一個直流電壓信號，連接到單片機的P1．0管腳，利用單片機內部比較器，與P1．1管腳設定的閾值電壓進行比較，P3．6是比較器的輸出端，比較結果可以反映照明燈具是否正常工作。電路中電阻R的參數設定需根據照明燈具的功率來確定，照明燈具功率在40～100W范圍時，電阻R可以選取6．8k的電阻，閾值電壓可以設為1．2V，當照明燈正常工作時比較器輸出高電平。

單片機通過P1．4輸出低電平使控制繼電器閉合，對照明燈實現開關控制。電路中還設計了一個人工應急開關按鈕，當按下SW鍵時，可以使開關閉合一段時間后再斷開，具體時間通過軟件編程設定。TEST按鈕用于安裝測試，按下時控制終端會發出鏈路檢查請求，若與中心監控站通信鏈路正常，則P1．3輸出低電平，點亮發光二極管LED1。同時也測試控制電路工作功能，P1．4輸出低電平打開照明燈，檢查照明線路工作電流信號是否正常，若沒有檢測到工作電流，燈泡可能已損壞，P1．2輸出低電平，故障指示燈LED2亮?？梢栽诎惭b燈泡和不安裝的情況下進行測試，檢查系統是否正常工作。

3 系統軟件設計
系統軟件設計主要包括數據通信的實現、照明燈具開關控制及工作狀態檢測的實現以及計算機管理和控制軟件系統。中心監控站和控制終端之間通過電力線載波進行數據通信，考慮到電力線信道動態變化的特點，數據通信采用應答方式和超時重發機制。中心監控站和每個控制終端都有一個唯一的16位地址編碼(ID)，數據在傳輸時依賴這個地址編碼確定發送端和接收端。中心監控站向控制終端發送命令時，將需要發送的信息按照規定的格式進行封裝，形成數據幀進行發送，數據幀的幀結構如圖5所示。

數據幀包含目的地址和源地址，控制終端通過獲取數據幀的目的地址判斷是否接收數據和響應。幀長度表示該字節后到校驗碼數據針對長度，用于接收端判斷并接收完整的數據幀。目的地址和源地址都分別重發一次用于接收端校驗判斷，自幀長度之后的字節通過循環冗余校驗產生校驗碼，接收端通過校驗判斷數據幀是否傳輸正確?？刂谱譃閷崿F不同功能規定了不同的命令字，數據段是不同命令所帶的數據信息。為保證數據傳輸的可靠，發送數據時利用ST7538的載波監聽功能，在電力線上沒有數據傳輸時發送數據，同時在發送數據幀之前和發送完數據幀之后多發幾個字節可以提高通信的成功率。實驗測試表明，在一個樓宇內中心監控站和控制終端之間的電力載波通信都能實現。通過軟件設計控制終端可以具備中繼站的功能，如果存在數據傳輸成功率低的問題，可以采用中繼的方式進行數據傳輸，實現樓宇照明系統的監控。
在計算機上運行的控制管理軟件通過計算機的串口與中心監控站進行數據通信，實現照明系統開關燈時間信息設定、中心監控站校時、照明系統工作狀態監測和故障檢測、對每個照明燈的單獨控制等功能。對樓宇公共照明系統可以統一設定開關時間，也可以根據具體需要分區域分別設定開關時間。計算機只有在對控制參數設定和照明系統檢測時才與中心監控站進行聯機通信，一般情況下中心監控站根據設定的控制參數獨立運行，完成對公共照明系統的監控。通過計算機管理軟件設定的參數保存在掉電不丟失的時鐘芯片RAM中，中心監控站根據開關時間信息參數，設置時鐘芯片的鬧鐘時間，利用鬧鐘中斷的方式對公共照明系統進行開關控制，可以發生廣播命令統一控制，也可以分樓層、分區域分別控制，以及對每個照明設備單獨控制。當與計算機聯機時，根據控制管理軟件發出的命令，將包含命令信息的數據幀發送到三相供電線路上，并接收控制終端的反饋信息，轉發給管理控制軟件。
控制終端通過電力線接受中心監控站發出的控制命令，對照明燈具進行開關控制和工作狀態檢測。其軟件設計流程如圖6所示。系統安裝后可以通過測試鍵檢查照明線路和通信信道是否正常，正常工作時可以通過開關按鍵，短時間打開照明燈，這個功能可以在非規定照明時間應急使用。數據接收采用串口中斷的方式，將接收到的數據存儲在片內存儲器，主程序讀取存儲器分析接收到的數據?？刂平K端可以接收發給本站的命令信息，也可以接收廣播地址的命令信息。通過分析接收到的數據幀中的命令字，控制終端可以實現對電路的開關控制、工作狀態監測和通信鏈路檢查等功能?？刂贫送瓿上嚓P操作后要發送反饋信息，其中包含當前電路的工作狀態和故障標志等信息。如果接收到的是統一開關等廣播命令信息，終端控制站只完成控制功能，不反饋信息。

4 結束語
在樓宇原有照明線路的基礎上，只對照明開關設備做簡單升級改造，利用電力線載波通信實現了樓宇公共照明系統的監控，避免了長明燈，節約了能源，并能及時發現故障。照明控制功能還可以進行擴展，比如與常用的聲光控制、紅外控制等其他控制方法相結合，可進一步減少照明能耗。如果照明系統是LED新型照明燈具，可以設計實現燈光亮度的實時控制，同時系統的控制對象還可以擴展到其他連接在電力線上的用電設備，實現用電設備的遠程智能管理。