钱建祥
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摘要：伴随着社会经济水平的蓬勃发展，我国的电力通信技术也有了一定的发展。基于电力线通信技术开发一种低成本，适用于中小规模照明控制需求的控制器。控制器利用现有的电力线基础设施，无需挖沟和穿墙打洞，避免对建筑物的损坏；通过遍布学校教室、地下车库等场所的电源插座对照明系统联网，并通过网关与外部连接进行有效的远程控制，节约资源，通过功能扩展，还能利用永久连接的电力线构建楼宇的防火、防盗、防有毒气体泄漏的安防监控系统，保护人身安全。
关键词：电力线通信技术；照明控制系统；应用
引言
目前，我国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。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。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。
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。
2电力线通信技术在照明控制系统中的应用
2.1智能节点控制器技术的应用
智能节点的控制器采用STM32F030F4，集成ARMCortex-M0内核，最高主频48MHz，16KFLASH，4KRAM，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。
2.2智能节点控制器技术的应用
智能节点的控制器采用STM32F030F4，集成ARMCortex-M0内核，最高主频48MHz，16KFLASH，4KRAM，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智能节点程序设计技术的应用
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。
2.4主机电路设计技术的应用
主机作为控制核心，不但需要发送控制命令，还需要完成路由算法、根据预先设定的规则生成控制命令、显示系统运行状况，以及随时响应用户的即时操作等。虽然PL3105采用了与8051完全兼容的微处理器，完全具备完成这些任务的能力，但如果全部由它来完成这些功能，并不利于系统软硬件的模块化设计，也会给后续的系统调试、故障分析和系统升级带来一定困难。因此，主机采用两个CPU，分别为PL3105（负责与载波收发相关的控制）和AT89C51RC（负责主机其它功能的控制）。根据照明控制系统主机结构，它主要包括载波通信模块、AT89C51RC、I/O模块、时钟电路和存储电路。
2.5智能节点程序设计技术的应用
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。
结束语
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。
参考文献
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