基于电力线载波通信技术的教学楼智能照明控制系统

陆焱

(常州信息职业技术学院 江苏常州 231000)

随着经济社会的不断发展以及科学技术的日新月异，学校教学楼对照明系统也提出了越来越高的要求，传统的照明模式早已无法满足当前教学照明系统的实际需求。在这样的背景之下，借助计算机、通信以及遥感的电力线载波通信技术得到了迅速推广和应用。从学校角度来讲，教学楼照明系统十分重要，在一定程度上直接影响着学生照度环境和电力资源的损耗。因此，基于电力线载波通信技术在学校教学楼智能照明控制系统中的应用具有极其重要的现实意义。

1 案例概况

某校教学楼于2011年建成正式投入使用，该教学楼建筑面积15 450 m2，共6 层。其中，有80 人教室10间，120 人教室8 间，210 人教室5 间；该教学楼不仅是学校的教学基地，更是学生们进行学习和自习的重要场所，该校教学楼数量多、照明设备多，用电量较大，年用电量大约为126 894.65 kWh。

2 传统手动开关弊端及存在的问题

（1）传统手动开关灯控制教学楼照明，如果白天教学楼内采光充足时，依然会存在开灯上课现象，长明灯及人走灯未关的现象屡见不鲜。同时，教学楼内无人后者人员很少的情况下灯具依然处于全部开启状态。

（2）相关人员不能及时掌握教学楼内灯具亮灭的实际情况，也不能根据设计需求控制教学楼内灯具的亮灭。

由此可见，基于电力线载波通信技术在教学楼智能照明控制系统中的应用是十分有必要的。与此同时，根据该教学楼的整体布局，需要再安排两个主控制室，这两个主控制室分别位于该教学楼一楼的106 和107室，每一个主控制各设置一台PC机作为上位机，主要有亮度和人体检测、单片机和电力线载波通信模块以及上位机控制系统5个功能组成，总体架构如图1所示。

图1 电力线载波通信总体架构图

（1）上位机为PC 机，借助电力线载波通信技术实现与该教学楼内各个教室的通信。这样一来，相关工作人员既可以了解某一教学楼内某教室灯具的亮灭情况，还通过力线载波通信技术的指令实现对各教室灯具亮灭情况的控制。

（2）下位机共油51 个单片机组成，电力线载波通信技术可以及时地将各教师灯具的亮灭情况传送至上位机，能够通过上位机发出的指令控制个教室灯具的亮灭情况。可以通过运用电力线载波通信传感器传回的数据信息及时地开启和关闭教室内的灯具。

3 电力线载波通信技术概述

电力线载波通信技术指的是利用专用的调制解调器对照明系统实现控制，形成特定的频率和信号，然后将调整好的信号发动至既有的电力线载波上。其与传统的技术相比，电力线载波通信技术是以较为发达的电力线为主要载体，既有数据传输准确、投资成本低以及施工周期短等的优势。

该教学楼照明控制系统以51单片机为核心（见图2），并且各个教学楼的照明系统全部设置了属于自己的环境监测、控制系统和上位机通信接口，工作流程如下：当通过光照检测电路检测到某一教学楼内的光照不足时，不论热释电传感器电路此时是否会输出信号，照明设备都会自动启动；而当通过光照检测电路检测到教学楼内的光照充足时，单片机就会自动输出控制指令，照明系统就不会启动。

图2 某学校教学楼照明控制系统节电器

尽管如此，电力线载波通信依然存在着以下缺陷，特别是热释电传感器方面，即对教学楼内静止人员的检测准确度较低，需要延长检测时间才能克服这一缺点，但依然会出现照明系统频繁的开关现象，不仅影响着照明系统的使用寿命，且还会给教学楼内的教师、学生的正常学习与工作带来影响。因此，该文在遵循照度优先原则的基础上，采用了电力线载波通信中准静态人体检测性的控制器来解决这一问题，还增加了对红外射管计数器的双重检测，以此来保证人体在静止状态下但又未离开教学楼时照明设备依然可以持续点量。

4 基于电力线载波通信技术的软件设计

4.1 单教学楼软件设计

单教学楼智能照明控制系统软件的主要功能和作用是完成对数据信息的收集，比如光照度、热释电传感器信号输出。系统需要首先设置一个标准的光照值，当教学楼内光线充足的情况下，所有的照明系统均为关闭状态；当教学楼内的光照低于标准的光照值时，需要先判断教学楼内是否有人，如果有人照明系统自动开启并进行延时，如果没人，照明控制系统自动关闭。

4.2 电力线通信协议

为了保证电力线载波通信技术在教学楼智能通知系统中应用的有效性，该系统中采用的通信协议参照的是美国的电力线载波X-10通信协议，而在该系统中需要使用的是包含控制机的传输协议，上机位和下机位必须采用适当与可靠的通信协议才能保证数据信息传输的及时性。该照明系统为了避免总线对其造成的冲突，需要单片机先进入通信系统中等待信号发出，PC 机器会随时发出地址码、系统码或者是命令等，其目的是为了电力线上的杂波信号对系统主机的正常运行而带来的影响。

5 电力线载波通信技术的教学楼智能照明控制系统实现

电力线载波通信技术在该教学楼智能照明控制系统中的应用，还通过对该教学楼大范围控制区域的方式，以此保证在夜间人少情况天的照度，实现方式如下。

5.1 光照检测电路

光照检测电路中包括一个光敏电阻，通过电阻至于串联实现分压，当教学楼内有光照时，电压信号会自动传送至A/D转换器，该文选择能耗低，以串行工作方式为主的TLC549作为转换器。根据我国《建筑照明设计标准》规定，教学楼内的照度标准音大于300 lx。也就是说，当教学楼内的照度高于这一标准是，光照检测电路不会输出电压信号。相反，只有当教学楼内的照度小于300 lx的时候，教学楼内的照明系统才会正常开启。

5.2 热释电传感器电路

顾名思义，热释电传感器电路采用热释电红外传感器，该传感器由滤光镜片组成，其工作原理如下：当滤光镜片中的截止波长为7～10 μm，就与人体中的波长相呼应，且还会将灯光和太阳光等的干扰热释电传感器电路的因素统统排除。同时，在结合菲涅尔光镜可以有效扩大检测的范围和角度，距离可达6～8 m。所以，需要在该教学楼内的120人的8间教室，210人的5 间教室分别安装1 个传感器。传感器是以通过电信号的形式输出的，但由于输出的信号太弱，还需要通过对BISS0001信号的调整之后方可传送至单片机内。

5.3 人数计数检测电路

在通常情况下，由于热释电传感器仅仅能检测到正在运动的人体，而当人体处于静止状态下时不会产生任何信号，为了防止和减少该教学楼的照明系统出现关闭的现象，还需要借助红外对射管计数器完成双重检测目标。当热释电传感器在检测到教学楼内没人的情况下，相关工作人员可以观察红外对射管计数器是否有信号输出，如果没有信号输出，该系统会自动将教学楼内的照明系统关闭，如果有信号输出，系统会自动延时教学楼内灯具的照明时间。采用这一双重检测方法，可有效杜绝和减少传统照明系统中的种种不足，从而实现智能照明目的。

5.4 通信模块

单片机与TXF 端口、LM1893 数据信息输入端17号管脚相互连接于一起，另一端口的RXD 与LM1893数据信息输入端的12号管脚相互连接于一起，单片机的P0.0 端口主要功能是用来控制系统的收发信号情况，LM1893主要由发送和接收两个部分组成。在信号发送环节，单片机主要从教学楼获得的信号由17号脚传送至LM1893,系统经过相应的处理之后在从12脚输出；在信号接收环节，电力线上的信号先从12 脚进入到系统的芯片中，再经过系统相应的处理之后，数据信息由12脚传送至单片机，从而实现低单片机的控制。

5.5 照明电路控制

照明电路控制可通过对教学楼内日光等的开启和关闭进行控制。但是，由于单片机I/0 输出的电流太小，无法用来完全控制继电器，此时需要使用一个8050为其提供一个足够可以控制继电器的电压，同时通过限流二极管的方式防止继电器在断开情况下所产生的反向电流对8050 造成的破坏。由于继电器仅仅需要5 V 的电压，这样1 个8050 便可以保证整个继电器的工作电压。

5.6 LM1893与电力线的耦合

Cc 与Rc 在并联情况下形成RC 网络，可以有效防止来自50 Hz的工频干扰。其中，Cc的大小为0.22 μF，其作用和功能是防止二级管出现分压现象，防止12脚的电压超过44 V，由于综合考虑到继电器可以承受的最大电压以及保证电力线载波通信系统可以正常工作，Rc 的电流应当控制在0.5 mA 范围内，但根本目的是为了防止高压脉冲波对电力线载波通信系统造成的破坏。其中，继电器的使用需要经过科学合理的设计，因为只有合适信号的继电器才可以保证正确的耦合，又可以隔离电网带来的杂波。另外，继电器除了可以传输载波智蛙，还需要有稳定的谐振频率为支撑，这样才能有效防止电力线的阻抗影响。

6 结论与讨论

综上所述，该文基于电力线载波通信技术的教学楼智能照明控制系统的分析，得出以下结论。

（1）该电力线载波通信技术在教学楼照明控制系统中的应用既稳定又可靠，能够根据教学楼内的实际情况及时对照明系统进行开启和关闭动作，为该校节约了大量的人力、物力和财力资源，大大提升了用电效率。

（2）基于LM893 的电力线载波通信技术可以实时满足该教学楼对于用电的实际需求，具有较强的抗干扰能力，既做到了对教学楼内照明系统的实施控制，又保证了数据信息传输的及时性与可靠性。

（3）通过实践表明，基于电力线载波通信技术的教学楼智能照明控制系统，每天可以至少少开灯大约0.8 h及以上，每年可节约用电资源56 000 kWh，节省成本约45 680 元，良好的节能效果表明该系统具有十分广阔的应用前景。