电力线通信技术在照明控制系统中的应用

赖宋红

（浙江商业职业技术学院，杭州 310053）

0 引言

目前，浙江省正大力提倡智慧城市计划，在光纤、无线等基础设施较薄弱的地下车库、偏远城市及乡村，充分利用现有的电力线传输数据，是对智慧城市信息传输平台的有力补充。电力线通信技术是将电力线作为载体实现数据传输的一种通信方式[1]。该技术将载有信息的高频信号加载到电力线载波中，利用电力线传输数据，并通过专用的调制解调器将信息从电力线上分离出来，最终将信息传送到终端设备上[2-3]。使用电力线通信有助于进一步拓展信息沟通渠道，提高现有资源利用率，已逐渐成为物联网应用开发热点。本文基于电力线通信技术开发了一种低成本，适用于中小规模照明控制需求的控制器。

图1 控制器系统结构图Fig.1 Controller system structure diagram

1 系统整体结构

基于电力线通信的照明控制器由中心控制器、智能节点、继电器输出端等组成。以学校教室为例，中心控制器显示和控制所有教室的灯具运行的状态，中心控制器装有电力线载波模块，一方面把电力线上传输过来的信号解析成中心控制器（PC、手机等终端）的信号；另一方面将控制器信号转换成电力线载波信号传输到智能节点（智能插座、开关面板等）。如改造教室内的灯具开关面板，加入电力线载波模块。载波模块中存有节点地址，当收到电力线网络的控制信号和节点地址匹配时，接收此帧控制信号。当数据帧的控制信号是高电平时，三极管导通，继电器通电，继电器的常闭触点和灯具电源连接，从而灯具通电；当数据帧的控制信号是低电平时，三极管截止，继电器断电，继电器的常开触点和灯具电源连接，从而灯具断电。在控制系统中，每个智能节点可以控制多个继电器输出端，每个继电器输出端对应一盏灯，智能节点加入网络中，中心控制器为其分配一个地址，中心控制器通过该地址把控制信息发送给网络中的特定智能节点，从而控制指定灯具的通断电。智能节点的功能可以随着继电器输出端的对象的改变而扩展，可以是这个线路上的智能家电、报警探头、燃气表、水表、电表等，控制信号、监测信号通过电力线传给中央控制器，中央控制器运算后发出控制信号，所有部件的信号都通过电力线载波通信模块进行调制和解调。

如图1控制器系统结构图所示，控制器使用STM32F0系列处理器作为网关和节点的核心控制器，完成组网操作、注册节点及组网算法的实现[4]。调制解调器采用东软的电力线载波模块，系统的电源由电力线经变压器供给，系统可以通过扩展节点来扩展控制对象。

2 系统硬件设计

系统硬件主要由电源模块、中心控制器、智能节点、继电器输出电路等组成。中心控制器和智能节点通过电力线连接，信号由电力线载波通信模块调制解调。

2.1 电力线载波通信模块

电力线载波通信模块采用SSC1642模块系列，ES1642-C载波模块是一款小型化、低功耗的电力线载波通信模块，其核心芯片采用东软载波电力线载波通信芯片SSC1642，内部集成32位处理器，采用DBPSK数字调制解调方式传输，具有灵敏度高、通信可靠、抗干扰能力强、通信距离远等特点。该模块采用串口与用户的MCU通信，可广泛应用于智能家居、智能灯控、智能楼宇等领域。电源的噪声对载波通信效果影响很大，因此控制器采用线性电源，最大程度地保证了载波通信效果[5-7]。每个载波模块都有一个EID地址，它是厂商为每个出厂的PLC模块设定的唯一不重复地址，可以确保出厂模块在全部使用此地址作为通信地址时，不会出现因多个模块地址重复而造成的混乱。

2.2 智能节点控制器

智能节点的控制器采用STM32F030F4，集成ARM Cortex-M0内核，最高主频48MHz，16K FLASH，4K RAM，TSSOP20封装，支持SWD调试，具有很高的性价比。控制器采用3.3V电压供电，集成了I2C接口、串口、SPI接口等，它和电力线载波通信模块可以串口直连通信，不用电平转换，外围电路既简单又稳定。STM32F030F4和电力线载波通信模块使用串口直连，波特率设置9600bps，其余IO口连接继电器输出模块。智能节点体积小，使用方便，可以嵌入开关面板内，改造成本低。

2.3 继电器输出模块

控制器实现灯具的通断电控制，因此可以采用继电器控制。继电器的接点容量大，允许电压高，一般没有公共端。因此，可以直接驱动中小功率的负载，如交流接触器、电磁阀等，但动作频率较低，后续也可使用可控硅来实现对电器的无极控制。

3 系统软件设计

3.1 系统通信协议

控制器系统部件之间采用Modbus RTU通信协议，RTU模式采用主-从方式通信，由中心控制器发出的数据帧发起一次通信，智能节点对该数据帧进行响应。单播通信时，智能节点需要对中心控制器进行回复；广播通信时，智能节点无需对中心控制器进行消息回复。RTU的信息帧由智能节点地址、功能码、数据、CRC校验组成。当照明系统规模变大时，防止节点地址重叠，可对上述的信息帧进行改进，把智能节点地址修改成区域地址，再将智能节点地址放入数据里。

数据转发负责区域内灯具的分组管理，作为中心控制器和智能节点之间的通信枢纽，一方面，负责将来自中心控制器的开关控制和地址搜索命令转发给智能节点；另一方面，将来自智能节点的数据信息转发给中心控制器。数据转发的任务主要划分为数据接收发送任务、命令解析任务、数据上传任务、数据下传任务。智能节点通过数据接受任务与命令帧，并对命令帧进行解析，触发数据下传任务把来自中心控制器的开关信号转发至继电器控制模块，通过数据上传任务向中心控制器回复继电器工作状态信息。

3.2 智能节点程序设计

智能节点处于网络的最底层，主要负责继电器通断控制、PWM调光控制以及串行通信。根据控制系统的功能需求，将智能节点软件划分为命令接收处理任务、命令执行任务等。

命令接收处理任务主要负责串行数据的接收及发送，一方面接收电力线上的数据请求和调光、开关命令；另一方面，将自身地址信息及状态信息等发送至电力线。主程序设置100us的定时中断，不间断地进行任务轮询。当接收到数据帧时，首先判断命令长度是否正确，若数据长度不正确，则丢弃数据帧，否则继续解析；判断接收到的数据CRC校验码是否正确，若校验码不正确，则丢弃数据帧，否则继续解析；然后，判断区域地址功能码，如果是广播识别码，则触发发送任务进行相应命令回复；若不是广播识别码，则继续判断地址字节是否为智能节点地址，若不是，则丢弃数据帧；否则继续判断功能码是否正确，若不正确，触发发送任务进行异常回复；否则根据不同功能码触发相应事件。

命令执行任务主要功能是通过对继电器线圈的控制，实现触点切换来调节灯具的开关及渐变。开关控制比较简单，直接输出高低电平即可改变常开常闭触点的切换。如果是渐变调节，则为周期性任务，执行周期为20ms。为了避免亮度迅速变化造成的视觉冲击，控制器采用渐变的亮度调节方式，使灯具的PWM值逐渐变至预设的目标值。

3.3 中心控制器程序设计

中心控制器的主要功能有地址搜索任务、实时单播控制任务、轮询任务等。地址搜索任务是为获取智能节点的地址，实现地址管理，每100ms进行地址搜索，将地址信息保存至中心控制器；实时单播控制任务接收来自操作者（手机、按钮、语音）的实时控制命令，封装成数据帧发送给指定智能节点；轮询任务以200ms为周期执行轮询灯具的状态、PWM值，保证亮度设置的可靠性等。

4 试验测试与应用

根据上述方案，搭建系统进行测试。设计了中心控制器1个和智能节点50个，在工业现场进行下述测试。系统运行后，通过按钮给中心控制器发送灯具开关控制、调光控制，所有智能节点连接的灯具都能根据控制命令动作。通过上位机软件对指定地址的灯具进行开关控制：开机后，中心控制器和智能节点的载波模块指示灯均以5Hz的频率闪烁；指定地址灯具长亮指令下发后，中心控制器发送数据帧，指定地址的智能节点载波模块比对到正确地址后指示灯常亮，经过测试，通信稳定可靠。

5 结语

本文设计的照明控制器利用现有的电力线基础设施，避免对建筑物的损坏，结构简单、成本低廉。对智能节点功能加以扩展，能连接楼宇的防火、防盗、防有毒气体泄漏的安防监控系统，保护了人身安全。对中心控制器的输入扩展，将人机交互界面移植到云平台上，可以在多种终端上查看和控制照明系统的工作状态。试验测试表明，该控制器能够满足中小规模照明的控制需求，能够有效地进行功能扩展，具有较高的应用价值。