基于电力线载波通信的楼宇公共照明监控系统设计

摘要：利用电力线载波通信技术在原有照明供电线路基础上实现了楼宇公共照明系统的远程监控。系统设计简单、施工方便，不需要布线和线路改造，只对原有照明控制开关进行改进，具有自动定时监控和实时控制功能，实现对线路上所有照明设备的监控。控制终端不仅能替代原有控制开关，而且还可以对照明灯泡是否出现故障进行检测，并及时上报故障信息。
关键词：公共照明；电力线载波通信；远程监控；控制终端

0 引言
楼宇公共照明是指建筑内楼道、走廊、车库以及室外亮化等公共电力照明系统，公共照明系统的监控是智能楼宇的重要组成部分，合理地设计照明系统的智能控制系统可以有效地降低能耗，在许多新建大型建筑中得到应用。但是目前多数建筑中仍采用传统的手动开关的照明控制方式，管理方式落后，容易造成能源浪费，可以在原有供电系统上设计独立的智能照明控制系统，改变传统的照明控制方式，更科学、有效地管理照明用电。文献表明，许多研究人员在照明智能控制系统领域做了很多工作，有采用C-Bus总线和CAN总线的控制系统，也有采用ZigBee传感器网络技术等无线传输模块的控制系统。有线控制方式可以保证监控信号的可靠传输，但系统需要单独布线，安装不方便，无线
数据传输避免了布线，但需要设计、安装无线数据传输网络。利用电力线载波通信可以借助传统供电系统的供电线路作为通信信道，不需要重新布线，只要在照明灯具上安装控制终端即可，安装控制方便，是照明系统智能监控系统的最优方案。

1 照明监控系统的组成
电力线载波通信技术，是利用电力线传送数据的一种通信方式，最初的应用主要集中在高压远距离输电线路上，随着技术的发展，在中、低压配电网线路中也得到了广泛应用。楼宇照明监控系统中的电力线通信是一种低压电力载波窄带通信技术，就是借助已经布好的建筑照明低压供电线路进行数据通信的一种方式。

系统由中心监控站和控制终端组成，它们都通过电力载波调制解调器与电力线相连，中心监控站可以安装在楼宇配电控制室内或值班室内，通过电力线向安装在供电线路上的控制终端发送控制命令，控制终端安装在受控照明灯具附近，实时接收中心控制站发出的命令，完成对照明灯的开关控制，同时检测照明灯的工作状态。

2 系统硬件设计
2．1 电力线载波通信模块
目前用于电力线通信的芯片有很多，意法半导体(ST)公司的ST7538电力线收发器凭借其较好的性能，在小数据量低速数据传输方面得到了广泛应用，可用于大规模的自动读表系统和家庭、楼宇的自动化解决方案中。ST7538是一种半双工、同步／异步FSK调制解调器芯片，内部集成了电力线驱动接口，具有发送和接收数据的所有功能，只要通过耦合变压器等少量外围器件即可连接到电力网中，通过串行可以方便地与微处理器相连接。芯片具有八种载波频率和四种通信速率，可以通过编程进行选择，同时芯片还具有载波侦测、看门狗、过零检测、温度保护等功能。

电力线载波通信模块主要电路组成如图2所示，单片机通过串口与ST7538进行数据交换，完成数据的发送和接收。设计中采用异步串口通信方式，不对控制寄存器进行操作，ST7538的UART／SPI管脚接高电平，REG DATA管脚接低电平，系统工作在132．5kHz调制频率信道，数据传输速率为2400bit／s。发送数据时首先判断载波监听信号管脚CD／PD，该管脚为高电平时说明信道中没有数据进行传输，然后通过I／O端口使RxTx引脚为低电平，数据以设定的波特率通过TXD传输给ST7538处理器，发送数据经过调制、滤波和差分放大后，由引脚ATOP1、ATOP2通过电力线接口电路发送到电力线上。由于其内部集成了电力线驱动接口，外围电路设计比较简单，由电容、电感、电阻构成的二阶带通滤波电路和1：1隔离变压器组成，元件的参数设计需根据选择的信道频率确定。隔离变压器的输出端一端接在供电线路的零线N上，一端通过电感和X2安规电容构成的滤波电路接在火线L上，图中虚线框内的耦合电路是将信号发送到三相供电线路中，只应用在中心监控站。通过电力线传输的调制信号通过耦合滤波电路由模拟输入端RAI管脚进入ST7538，通过滤波、解调等处理后形成串行数字信号由RXD管脚将信号送入单片机串口接收端。
2．2 中心监控站模块
中心监控站单片机选择了带双串口接口的STC单片机STC12C5A08S2，外围模块主要由时钟芯片、电力线通信模块、与计算机进行串口通信的电平转换接口模块。系统中心监控站需根据时间信息向控制终端发送控制命令，DS12C887时钟芯片具有实时时钟功能，而且片上带有128字节RAM，其中113字节可以作为单片机的外部存储器使用，芯片自带锂电池，掉电时内部RAM信息不丢失，时钟能正常工作。单片机P0口与DS12C887的地址数据端口相连，通过Intel数据总线的方式对DS12C887中的RAM进行读写操作，包括工作模式设定、时间信息设定、闹钟时间设定以及其他数据信息的存储等。时钟芯片的中断请求输出端连接到单片机P3．2管脚(外部中断0)，单片机通过设定闹钟时间，利用时钟中断的方式向控制终端发出开关照明设备命令。每天的开关时间信息存储在掉电不丢失的时钟芯片内部RAM中。单片机具有双串口结构，其中一个串口及P1．6、P1．7与电力线通信模块连接完成电力线载波通信的数据发送和接收，另外一个串口通过RS232电平转换芯片与中心管理站的电脑相连，通过串口与电脑进行数据通信。