周 莉,許文強

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 安徽淮南232001)

低壓電力線載波在校園節(jié)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 莉,許文強

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 安徽淮南232001)

傳統(tǒng)的通信技術(shù)一般采用專門的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì),布線繁瑣而且造成浪費;提出一種基于低壓電力線載波通信技術(shù)的校園節(jié)電控制系統(tǒng),介紹了載波通信原理,并且設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程;系統(tǒng)選用PL2102作為通信芯片,單片機作為控制芯片,將電力線載波技術(shù)應(yīng)用于校園節(jié)電系統(tǒng),由于不需要鋪設(shè)專門的控制線路,不僅節(jié)約了成本,也便于控制和管理,因此具有較好的應(yīng)用前景。

單片機; 電力線載波技術(shù); PL2102

目前許多學(xué)校教室照明系統(tǒng)仍在采用傳統(tǒng)的的人工控制方式,難免會出現(xiàn)教室無人燈仍然點亮的現(xiàn)象。這種情況造成了資源的大量浪費,為從根本上杜絕浪費,合理地分配使用資源,提高校園用電管理效率,本文采用低壓電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)進行數(shù)字化通信,以實現(xiàn)對校園燈光的遠程控制和管理。

1 工作原理概述

本文主要設(shè)計了主機和終端兩個部分。主機部分包括PC、單片機和電力線載波模塊。主機作為整個控制系統(tǒng)的中心位于控制室內(nèi),負責(zé)接收終端地址、指令代碼、校驗碼等從終端采集來的數(shù)據(jù)。主機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理,同時向終端發(fā)出相應(yīng)的指令。終端通過外圍設(shè)備和載波通信模塊對燈具的電參數(shù)進行處理分析并發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)給主機,同時執(zhí)行主機發(fā)送到終端的指令。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

2.1 主要器件的選擇

該系統(tǒng)采用PL2102作為電力線載波通信芯片,PL2102是能夠在電能質(zhì)量較差的情況下正常工作的電力線載波通信芯片。該芯片由+5 V電源供電,在主電源掉電的情況下,也可由3 V備用電池供電。該芯片通過外部的接口電路與電力線耦合,使用I2C接口與外部的微處理器連接,PL2102芯片還內(nèi)置了電壓監(jiān)測、看門狗定時器、復(fù)位電路等5種常用的功能電路。直接序列擴頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)的大量應(yīng)用以及高標準的制作工藝使得PL2102在環(huán)境較為惡劣的情況下能夠穩(wěn)定工作。

STC89C52是一種8位微控制器,低功耗、高性能的特點使得其得到廣泛的應(yīng)用。STC89C52能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要,同時使得電路設(shè)計更加簡便。

2.2 電路設(shè)計

該系統(tǒng)的核心設(shè)計使設(shè)計載波收發(fā)電路,低壓電力線載波接收電路和發(fā)送電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 載波收發(fā)電路結(jié)構(gòu)

載波收發(fā)電路連接圖如圖3所示。接收電路部分主要包括:D7是瞬變電壓抑制二極管,預(yù)防過大的浪涌電流對電路的損壞。由C15、C16和L2組成的并聯(lián)諧振模塊對120 k Hz信號進行選頻,同時可以對輸入的微小信號有放大的作用。發(fā)射電路部分主要包括:C14、L1(18μH/200 m A)用于發(fā)射電流和波形的調(diào)整。同時由于線圈帶載能力的限制,發(fā)射電流和波形的改變將改變發(fā)射功率和自損。發(fā)射功率與發(fā)射電壓VHH成正相關(guān)關(guān)系,由于發(fā)射電壓增高直接導(dǎo)致晶體管自身損耗增加,綜合考慮一般選擇發(fā)射電壓為10～18 V。

單片機作為微控制器,負責(zé)控制電力載波模塊,與載波模塊連接圖如圖4所示。載波模塊PL2102將載波信號解調(diào)后輸出,同時HEAD引腳給單片機中斷信號。單片機接收中斷信號后產(chǎn)生中斷,接收RXD_TXD輸出的信號,根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖3 載波電路原理圖

圖4 單片機控制電路

3 軟件設(shè)計

3.1 載波部分軟件設(shè)計

程序采用C語言編寫。載波通信接收流程如圖5所示,首先程序進入接收中斷,不斷讀取接收到的數(shù)據(jù),當(dāng)接收到同步頭0x09AF時,說明后面的數(shù)據(jù)都是有效信息,提取有效信息后置位接收完成標志,返回本次中斷。

圖5 載波通信接收流程

載波通信發(fā)送流程如圖6所示。程序首先進入發(fā)送中斷,先發(fā)送40位數(shù)字1,再發(fā)送同步頭0x09AF,然后發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的有效數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)全部發(fā)送完后將發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諣顟B(tài),最后返回本次中斷。

圖6 載波通信發(fā)送流程

3.2 上位機程序設(shè)計

單片機通過串口與上位機通信,當(dāng)單片機進入串口中斷程序時,將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。單片機數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖7所示。

上位機程序選用Visual Basic 6.0開發(fā)。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計,設(shè)計簡單方便,人機界面友好。VB有多種方法可以實現(xiàn)串口通信,便于上位機與系統(tǒng)的連接。

本系統(tǒng)采用VB提供的通信控件進行上位機程序開發(fā)。該控件功能強大,可自行設(shè)置串口的狀態(tài)及串行通信的信息格式和協(xié)議,充分實現(xiàn)上位機與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信號的發(fā)送與接收。通過此控件,簡單高效地實現(xiàn)了PC機與設(shè)備之間的通信。

圖7 單片機數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

4 結(jié)束語

本文主要研究了低壓電力線載波在校園照明節(jié)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過設(shè)計硬件電路和編寫系統(tǒng)軟件,利用電力線作為信號傳輸介質(zhì),很好地實現(xiàn)了對校園照明燈的遠程監(jiān)控和管理。本文設(shè)計的系統(tǒng)既使管理效率得到明顯提高,又使資源得到合理化應(yīng)用,同時還使校園照明燈的使用時間得到明顯延長,在校園內(nèi)應(yīng)用得到了良好的經(jīng)濟效果。

[1] 高峰,董亞波.低壓電力線載波通信中信號傳輸特性分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2000(7):36-40.

[2] 馮蓉珍.基于電力載波通信的遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)通信,2010(10):70-73.

[3] 湯效軍.電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展及特點[J].電力系統(tǒng)通信,2003(1):47-51.

[4] 張捷.低壓電力線載波通信信道特性研究[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

[5] John Newbury,William Miller.Multiprotocol routing for automatic Remote Meter reading using power line carrier systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2011, 16(1):1-5.

[6] 劉洋.基于FSK的電力載波通信SoC芯片設(shè)計與驗證[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[7] CC Shen,Z Huang,C Jaikaeo.Ant-based distributed topology Control algorithms for AP HOCmobile networks[J].Wireless Networks.2005,11(3):299-317.

[8] 李水明.基于ARM11電力載波視頻監(jiān)控服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù),2012,36(21): 171-173.

[9] 李焱,李世春.網(wǎng)絡(luò)型教室智能節(jié)能供電系統(tǒng)的設(shè)計[J].大眾科技,2011(10):153-154.

[10]鄭雪.電力線載波通信元件阻抗模型研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(6):141-147.

[11]周正華.一種簡化的自動中繼電力載波路燈控制技術(shù)[J].工業(yè)控制計算機,2011,24(5):34,36.

[12]陳艷.基于低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的路由算法研究[D].長沙:湖南大學(xué),2013.

[13]Niovi Paylidou,A.J.Han Vinck,Javad Yazdani.Power Line Communication:State of the Art and Future Trends[J].IEEE Communications Magazine,2003,4(4):34-40.

[14]劉欲燃.電力載波集中抄表器設(shè)計與開發(fā)[D].長沙:湖南大學(xué),2012.

[15]樊忠.基于電力載波的集中式抄表系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].重慶:重慶郵電大學(xué),2013.

[16]惠昭.基于電力載波的LED路燈監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[D].天津:天津工業(yè)大學(xué),2013.

[17]王雙雙.電力載波機多路復(fù)接器的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué), 2013.

[18]黃德健.低壓電力載波網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究[D].北京:中國石油大學(xué),2011.

[19]田霆.基于PowerPC的電力載波路由器的實現(xiàn)[D].南京:南京郵電大學(xué),2011.

[20]田霆.嵌入式Linux平臺下電力載波路由器的軟件設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2010(11):145-147.

[21]羅書克.低壓無功補償型電力載波智能抄表系統(tǒng)研究[J].自動化儀表,2011,32(10):40-42.

TM73

B

1671-4733(2015)06-0015-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.06.005

2015-11-10

2012年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(項目編號:201210361068)

周莉(1964-),女,安徽淮南人,博士,碩導(dǎo),研究方向為智能控制技術(shù),電話:13955431228。