基于电力载波的楼宇灯光集中控制系统设计

陈进熹，朱 鸿，丁洁瑾

(1.杭州职业技术学院，浙江 杭州 310000；2.杭州宏讯电子科技有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

传统的照明控制方法是用开关控制照明设备的通路与断路。这样的控制方法使得楼宇管理员无法在管理室内控制照明设备，不便于集中控制。当使用者忘记关闭照明设备时，管理者也无法知道设备是否在使用中，造成能源的浪费，所以集中的照明设备控制系统非常重要[1]。

现有的照明设备集中控制系统主要采用两类控制方法。第一种是对建筑里的照明设备架设网络通讯电缆，组成有线通讯网络，管理室设控制终端，对建筑物照明集中控制。这种方法网络响应速度快、实时性高且稳定性好[2]。但是要架设专用的通讯线缆，成本很高且后期维护不便。第二种方法是采用无线组网，优点是无需铺设通讯线，组网方便。缺点是稳定性差，实时性低[3]。

采用基于电力载波方法设计楼宇照明设备集中控制系统不仅不用铺设通讯线缆，而且相对无线网络其稳定性更高[4]。采用专用的信号调制解调器还可以定制协议栈，实现多种控制要求。

1 系统硬件架构设计

照明设备集控系统硬件电路由控制部分和通讯部分组成，控制部分组成如图1所示。

图1 控制电路框架图Fig.1 Frame diagram of control circuit

控制电路的数据交互接口与调制解调部分相连，用串口进行数字量交换。逻辑输出接继电器等逻辑控制设备，进行照明设备的亮灭控制。数字信号输出接复杂控制照明设备，控制灯光亮度、色彩、角度等。调制解调部分的电路包括调制解调器、数据交互接口、载波信号接收滤波放大电路、载波信号发送滤波放大电路。调制解调器采用宏讯公司自主研发的调制解调芯片HLPLCS520F，该芯片使用FSK调制解调方式。HLPLCS520F内部架构如图2所示：

图2 HLPLCS520F结构原理Fig.2 Structure principle HLPLCS520F

HLPLCS520F采用110kHz频率作为载波中心频率，111kHz频率表示信号1109kHz频率表示信号0。外部电路的设计要基于110kHz频率。在发送端需要对信号进行放大，以提高信号的输出功率[5]。调制器输出的信号中会有一些杂波信号，在输出端要进行滤波处理[6]，可采用如图3所示的滤波及放大电路。载波信号输出功率较大，而模块体积较小，需设计放大能力强发热量小的放大电路，本设计采用D类放大器做放大电路。MOS管放大电路能有效降低功耗，减少电路发热。

图3 输出放大滤波电路Fig.3 Amplifying and Filter circuit of output

图3中FSK_OUT输出频率信号，经放大电路后形成方波信号，经过滤波电路(C1、L1)后输出正弦波信号送到电网，图3电路电压放大幅度取决于VPLC的大小。C1和L1组成LC串联谐振电路，起到选频作用，本方案采用110kHz作为中心频率。根据谐振频率计算公式计算C1和L1的取值。

(1)

其中f0为谐振中心频率，L为电感L1的值，C为电容C1的值。为提高LC串联谐振电路的选频能力，在合理范围内选取LC串联电路的Q(串联电路品质系数)，Q值计算公式：

(2)

取Q值为100，计算得L1值取10μH，C1值取200nF。

信号经过电网传送至接收端会有很多杂波信号，所以在接收端必须有滤波电路，接收端滤波电路可采用LC并联谐振电路，电路如图4所示。

图4 接收滤波电路Fig.4 Recieving filter circuit

其中R2为接收端等效内阻。LC并联谐振Q值计算公式为：

(3)

为保证滤波器选频能力，同时考虑元器件选型，将LC并联谐振的Q值选取为100。根据式(1)和式(3)计算LC并联谐振电路的L2和C2的值，经计算得L2值为7μH，C2的值为300nF[7]。电路实物图如图5所示。

图5 载波调制解调器实物图Fig.5 Photo of Carrier modem

基于信号收发模块，系统整体构架图如图6所示。

图6 系统整体构架图Fig.6 System architecture diagram

3 系统软件协议设计

系统采用主从式网络设计方式，一主多从，为了提高整体网络的效率，不允许从节点的数据交互。楼宇的照明设备控制所需命令不多，主要以逻辑信号为主，所以系统软件协议栈的数据帧格式可以做的尽量简洁。电网环境复杂，在数据帧前添加报文头。数据帧格式如图7所示。

图7 数据帧格式Fig.7 Data frame format

报文头以9BH开头，通知电网上的照明设备站点接收数据，16位地址去掉主机和广播地址占用的地址外可以提供65534个从照明设备地址，足以满足楼宇照明需求。控制端2位代码用来表示后面数据的作用。数据代码是信息载体，主机通过数据告诉从照明设备要做什么[8]。电网环境复杂，为了保证数据的正确，采用海明校验的方法对前面地址段，控制段和数据段进行校验。26位数据要5位校验码，达到海明距离3，能查出两个错误位且能修正一个错误位。保证地址段、控制段和数据段的绝对可靠。协议设计保证照明设备接入电网后可以自动组网，利用分槽式ALOHA方法把信道时间分成离散的时间槽，每个站点只能在时间槽开始时才允许发送，某个从站如果在前面的时间槽占用了信道，则其它从站等待下一次机会。在主站发送完一个新设备寻址帧后，主设备等待一段时间，这段时间分为4个时间槽，如果有新的设备加入电网，它可以在4个时间槽内随机选择一个时间发送一个应答帧，这样如果有两个新设备同时加入电网，那么在4个时间槽能随机选择到前面时间槽的设备先占用信道，后发送的设备检测到已有设备要占用信道，则放弃这一次竞争等待下一周轮询。如果两个设备在一个时间槽内同时发出应答帧，则会出现乱码，主站不能识别报文头，放弃改帧，新设备没有收到主站的配置帧，则等待下一个周期[9]。(见图8)

图8 无冲突访问照明设备增加机制Fig.8 Conflict-free access mechanism

ALOHA冲突时的访问机制如图9所示。

图9 冲突访问机制Fig.9 Conflict access mechanism

3 总结

本文简述了基于电力载波通讯方式的楼宇照明

设备控制系统设计，设计了适合楼宇照明设备的通讯系统，并设计了专用网络协议栈。本文所述设计已成功应用于多家公司，效果良好。

[1] 廖惜春,任敬哲,杨志高.基于电力载波的可寻址LED路灯智能监控系统设[J].照明工程学报，2014，25(02):43-47.

[2] 董珀. 智能照明控制系统及其新技术研究[D]. 上海：东华大学,2010.

[3] 胡润生，吴继新. 基于ARM和ST7540的城市路灯监控终端设计[J].自动化技术与应用,2007,26(1)：111-121.

[4] 俞建. 基于ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制系统的研究[D].杭州：浙江工业大学,2012.

[5] 徐超群，低压电力载波通信技术在城市路灯远程智能监控中的应用[J].电讯技术，2006，6：145-149.

[6] 王君红.基于电力载波通讯的远程控制系统设计及应用[J].化工自动化及仪表，2009，36(1)：49-51.

[7] 宋绍剑,薛春伟.基于ZigBee的城市路灯智能监控终端控制器设计[J]. 照明工程学报，2011，22(04).

[8] Radford D .Spread-Spectrum Data Leap Through AC Power wiring[J].IEEE Spectrum，1996，33(11)：48-53.

[9] 叶永伟,王晓恩,林海,等. 基于Multi-Agen的楼宇智能照明系统节能技术[J]. 照明工程学报.2011，22(04):91-95.

[10] 张曦煌.无线传感器网络的研究[D]. 无锡：江南大学,2008.