摘要: 介紹PLCBUS 電力線通訊協(xié)議，利用PLCBUS-9402393 模塊結合教室實際照明電路設計教室智能照明控制系統(tǒng)，給出了智能照明系統(tǒng)接收模塊電路、控制模塊電路、照度傳感器電路，進行了系統(tǒng)模擬實驗。此系統(tǒng)無論新教學樓還是投入使用的教學樓用戶都可以使用，具有很強的靈活性和穩(wěn)定性。
教室是學校照明用電的主要部分。教室燈光照度設計標準為室內平均照度300 lx，這樣高的照度要求，如果沒有合理控制方案，能源上將造成巨大的浪費。因此將智能照明控制系統(tǒng)應用于普通教室、階梯教室具有相當?shù)膶嶋H意義。對于學校而言，使用調光控制方式顯然造價過高，難以接受，而且教學樓的燈具大多選擇了日光燈，調光控制需要專用的調光鎮(zhèn)流器，比較煩瑣。因此，開關控制是學校教室照明主要的控制方式。
本文結合學校實際電路，利用電力線通訊，采用PLCBUS 協(xié)議，設計了教學樓內各教室統(tǒng)一控制燈的低成本智能照明控制系統(tǒng)。
1 教室照明特點
高校教學樓為長廊類設計，教室在長廊一側或兩側，配電為照明與插座分別由不同空開控制。同一側教室自然采光和燈光布局基本相同，一般每個教室采用兩個照明回路，分別給兩組燈光供電，每組燈由一個空開控制，并在教室內有墻壁開關控制。
教室單獨還有一插座回路。如圖1 所示。
圖1 教室照明系統(tǒng)圖
2 基于電力線通訊PLCBUS 技術
PLCBUS 技術采用Pulse Position Modulation(PPM) 脈沖相位調制法。它是利用電力線的正弦波作為同步信號，在四個固定的時序中發(fā)送瞬間電脈沖來傳遞信號的。每半個50Hz 的正弦波周期可以傳遞一個PLCBUS 脈沖信號，PLCBUS 脈沖信號出現(xiàn)在半個正弦周期里的4 個固定位置中的一個位置。
每個位置可以搭載2bit 的信息， 在50Hz 的電力線上，1s 可以傳輸200bit 的數(shù)據。因為采用電脈沖通訊，PLCBUS 信號可以傳遞得很遠。如圖2 所示。
圖2 PLCBUS 信號幀的載波位置示意圖
2. 1 PLCBUS 的通訊格式和數(shù)據傳遞方法
PLCBUS 信號的傳輸信息包基本結構如圖3 所示。PLCBUS 信號總是有2 － 1 － 1 － 2 這樣的字節(jié)開始作為START 信號為“起始字節(jié)”。起始字節(jié)之后的5 個字節(jié)稱為“Header”標題字節(jié)。標題字節(jié)里包含有許多基本信息，比如數(shù)據的長度、接收地址信息、發(fā)射器的信息、是否需要反饋等等。在標題字節(jié)后是PLCBUS 的數(shù)據字節(jié)，可以包含0 ～ 18 個數(shù)據字節(jié)。用這些數(shù)據字節(jié)可以傳遞諸如燈光亮度、調光步長、信號質量等數(shù)據。最后一個字節(jié)是校驗位，用于判斷接收到的數(shù)據是否正確。
圖3 PLCBUS 傳輸信息包的基本結構
在PLCBUS 協(xié)議中，地址是分成兩部分定義的。
NID ( Network ID) 在最終用戶那里稱為“用戶碼”，DID (Destination ID) 在用戶那里稱為“房間碼+ 單元碼”，NID 共有8bit，可以組成256 個不同的地址，DID 也是8bit， 也可以組成256 個不同的地址碼。NID ( Network ID ) 和DID ( DestinationID) 統(tǒng)稱為接收數(shù)據用的地址碼，但NID 有5 位地址碼另有他用， 所以PLCBUS 的基本地址碼就是250256 = 64000 個。
PLCBUS-9402393 控制芯片是采用PLCBUS 協(xié)議通訊進行照明控制的專用芯片，采用此芯片可方便的組成實用智能照明系統(tǒng)。
3 PLCBUS-9402393 芯片
PLCBUS-9402393 引腳如圖4 所示。
圖4 PLCBUS-9402393 引腳圖
PLCBUS-9402393 引腳說明見表1 所示。
利用芯片可組成接收模塊和發(fā)送控制模塊，發(fā)送控制模塊可對不同地址發(fā)送控制指令，每個接收模塊可存儲多個地址，相同地址響應控制指令，系統(tǒng)可以方便的控制不同設備的開關，系統(tǒng)既可針對一個模塊單獨控制，又可以對多個模塊同時控制。
表1 PLCBUS-9402393 引腳說明
4 教室智能照明系統(tǒng)的設計
4. 1 PLCBUS 智能照明系統(tǒng)設計組成
PLCBUS 智能照明系統(tǒng)設計分為主控模塊、從控模塊和照度傳感器模塊三部分。其中從控模塊可以設置多個地址，主控模塊和傳感器模塊發(fā)出地址控制指令，具有相同地址的接收模塊根據指令作出響應，打開或關閉燈光。通過對接收模塊設置地址的分組，可實現(xiàn)對所有教室的燈光分片和分區(qū)域的控制。PC 機和控制器也可發(fā)出用戶開或關閉指令，使相同用戶碼的所有教室燈光打開或關閉。
系統(tǒng)結構圖如圖5 所示。
圖5 智能照明系統(tǒng)組成圖
根據學校實際一般教室有兩組照明電路，可劃分為亮區(qū)暗區(qū)兩個區(qū)域，分別在亮區(qū)暗區(qū)安裝照度傳感器，照度傳感器與發(fā)送控制模塊連接，可根據傳感器狀態(tài)發(fā)送不同指令，控制教室兩個區(qū)的照明電路燈光開閉。每個教室可在配電箱或墻壁開關內安裝照明接收器，每個接收器可控制兩個回路燈光，每個回路允許的最大電流2. 5A ～ 6A ( 如接入繼電器可控制更大電流)。多個教室可以為一個區(qū)， 同一區(qū)發(fā)射器和接收器使用同一個用戶碼，接收器指令只接收同一用戶碼的發(fā)射器指令。教室內的墻壁開關可安裝在接收器之后， 在接收器開始供電后，墻壁開關控制室內燈光打開關閉。
由于同側教室采光具有相同性，以任一個教室兩個區(qū)采集的光照數(shù)據作為同側教室照明電路的控制參數(shù)，控制同側同區(qū)教室的燈光開閉。
4. 2 智能照明系統(tǒng)電路設計
4. 2. 1 接收模塊的電路設計
采用PLCBUS-9402393 芯片設計的接收模塊電路如圖6 所示。一個接收模塊可以控制兩個照明回路，分別由芯片的12 腳和13 腳控制，每個回路可以設置一個主地址和15 個副地址。接收模塊的19 和22 管腳連接電力線，從電力線上接收指令，芯片判斷其指令中的目的地址是否與模塊某接收到指令后判斷其指令中的目的地址是否與模塊某回路的地址相同， 如相同按照指令代碼對芯片12 腳或13 腳輸出高電平，Q1 和Q2 三極管9014 起放大電流的作用，電流增大至信號繼電器OJT-SS-112LM 動作電流后，使繼電器線圈導通，則K1 或K2 閉合，照明回路LOAD1 或LOAD2 導通，燈光打開。如按照指令芯片12 和13 管腳無高電平輸出或輸出值小于信號繼電器動作電流時， 則相應照明回路關斷，燈光關閉。接收模塊執(zhí)行完控制指令后將發(fā)送反饋信息給控制模塊。墻壁開關可安裝在接收模塊后，只有在模塊供電后， 才能使用墻壁開關打開燈光，這樣可以有效節(jié)約電能。
圖6 接收模塊照明燈光控制電路
4. 2. 2 控制模塊電路設計
芯片的5，6，7，8 管腳分別連接4 個按鈕K1，控制模塊電路如圖7 所示。K1，K2，K3，K4， 通過對芯片的預設置可以使每個按鈕發(fā)送不同的地址控制指令，例如設置K1 觸發(fā)時芯片向電力線上發(fā)送B1 on 指令，則當按鈕K1 按下時，模塊發(fā)送B_ 指令，地址為B1 的接收模塊的相應照明回路的開關將閉合，燈光打開。設置K2 觸發(fā)時芯片向電力線上發(fā)送B1 off 指令，則當按鈕K2 按下時，模塊發(fā)送B1 off 指令，地址為B1 的接收模塊的相應照明回路的開關將打開，燈光關閉。芯片的1 0 和1 1 腳連接PC 或MCU 進行通訊，可完成發(fā)出控制指令和對模塊芯片設置功能。
圖7 控制模塊電路
4. 2. 3 照度傳感器控制電路設計
照度傳感器采用On9668，是一個可實現(xiàn)光控閥值可調的光電集成傳感器。電路如圖8，圖9 所示。
控制模塊電路中的按鈕K1，K2，K3，K4 采用照度傳感器電路代替， 芯片PLCBUS-9402393 的5，6，7，8 管腳各連接一個照度傳感器。當環(huán)境亮度達到照度傳感器Uadj 設置值時，OUT 管腳輸出高電平或低電平，OUT 管腳連接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，這樣從Q 端輸出脈沖信號，輸入到PLCBUS-9402393 芯片管腳5，6，7，8 端， 相當于觸發(fā)控制模塊電路的K1，K2，K3，K4 任意按鍵，就可發(fā)出相應控制指令。
圖8 為環(huán)境照度大于設定值時，發(fā)送觸發(fā)脈沖的電路，圖9 為環(huán)境照度低于設定值時，發(fā)送觸發(fā)脈沖的電路。
圖8 照度傳感器控制電路1
圖9 照度傳感器控制電路2
傳感器模塊作為發(fā)射器使用，傳感器模塊連接兩個亮度傳感器。每個接收器有不同地址。假設暗區(qū)接收器地址為B1，亮區(qū)接收器為B2，也可將所有同側教室的暗區(qū)接收器設為B1，亮區(qū)接收器設為B2，照度傳感器檢測到低于特定照度時，傳感器模塊K1 就會觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)送B1 on 指令， 所有地址為B1 的模塊都會接收指令從而供電，教室暗區(qū)的燈就會打開; 當另一照度傳感器檢測到高于特定照度時，暗區(qū)傳感器模塊K2 就會動作，發(fā)送B1 off 指令，所有地址為B1 的模塊都會接收指令斷電，教室暗區(qū)的燈就會關閉。這樣實現(xiàn)暗區(qū)燈光根據本區(qū)域的實際亮度進行自動打開和關閉，保障教室一定的照度。
對于亮區(qū)區(qū)域也同樣控制。
表2 教室智能控制時間表
5 實驗結果
由表2 可以看出，教室1，2 只在早上和晚上由人工操作控制器，開關教室的燈光，其他時間系統(tǒng)可利用帶照度傳感器的控制模塊根據環(huán)境亮度的變化分區(qū)域發(fā)出不同的指令，打開和關閉燈光，教室不會出現(xiàn)長明燈的現(xiàn)象，這樣在滿足教室照明亮度的前提下，達到節(jié)約電能的目的。
通過實驗，此設計可以根據照度實現(xiàn)對燈光的分布式自動控制，也可單獨控制或分區(qū)域控制，控制方便，系統(tǒng)便于人工和自動切換，方便擴充和管理，具有很好的實用價值。PC 機也可作為控制器發(fā)出開或關閉指令，使相同用戶碼的所有教室燈光打開或關閉。
總結
此系統(tǒng)利用普通電力線傳輸控制信號實現(xiàn)對燈的智能控制，所以無論新教學樓還是投入使用的教學樓用戶都可以使用，用戶只要在配電箱或墻壁開關上安裝接收模塊， 幾個教室按裝發(fā)送控制模塊，就能輕松實現(xiàn)智能化; 系統(tǒng)中沒有中央控制主機，PC 機作為一個多功能控制器使用，可隨時加入和撤出，用戶可以像搭積木一樣隨意按需布置，多個控制器控制范圍用戶可自己設置，即可實現(xiàn)分布控制，也可統(tǒng)一控制管理。