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1、照明设备监控系统课题背景：北京人民大会堂室内的智能化照明系统具有超过6,000多个环境灯光 及舞台灯光回路和2万多支不同的灯具。是中国目前规模最大的室内智能化照明 灯光改造工程，北京人民大会堂室内照明系统总共有以下子系统：万人礼堂环境照明控制系统、舞台灯光控制系统小礼堂环境照明控制系统、舞台灯光控制系统中央大厅环境照明控制系统控制系统接待大厅环境照明控制系统控制系统万人国宴厅环境照明控制系统控制系统 30多个会议厅、会客厅（包括北京厅、台湾厅、上海厅、天津厅、黑龙 江厅、辽宁厅、内蒙古厅、浙江厅、广东厅、河北厅、湖北厅、江西厅、广西 厅、山西厅、新疆厅、福建厅、安徽厅等）环境照明控制系 提供以
2、上所有厅、堂6000回路舞台控制与环境照明系统中95%的调光控 制设备。大部分环境照明与舞台控制灯光安装工程。人民大会堂所有灯光控制系统的售后服务。人民大会堂万人礼堂机房（34台HDL-D96全数字智能硅柜）本课题对照明设备子系统的分析如下：利用电力线载波通信技术在原有照明供电线路基础上实现了楼宇公共照明 系统的远程监控。系统设计简单、施工方便，不需要布线和线路改造，只对原 有照明控制开关进行改进，具有自动定时监控和实时控制功能，实现对线路上 所有照明设备的监控。控制终端不仅能替代原有控制开关，而且还可以对照明 灯泡是否出现故障进行检测，并及时上报故障信息。楼宇公共照明是指建筑内楼道、走廊、车
3、库以及室外亮化等公共电力照明 系统，公共照明系统的监控是智能楼宇的重要组成部分，合理地设计照明系统 的智能控制系统可以有效地降低能耗，在许多新建大型建筑中得到应用。但是 目前多数建筑中仍采用传统的手动开关的照明控制方式，管理方式落后，容易 造成能源浪费，可以在原有供电系统上设计独立的智能照明控制系统，改变传 统的照明控制方式，更科学、有效地管理照明用电。文献表明，许多研究人员 在照明智能控制系统领域做了很多工作，有采用C-Bus总线和CAN总线的控制 系统，也有采用ZigBee传感器网络技术等无线传输模块的控制系统。有线控制 方式可以保证监控信号的可靠传输，但系统需要单独布线，安装不方便，无线
4、 数据传输避免了布线，但需要设计、安装无线数据传输网络。利用电力线载波通信可以借助传统供电系统的供电线路作为通信信道，不需要重新布线，只要 在照明灯具上安装控制终端即可，安装控制方便，是照明系统智能监控系统的 最优方案。1照明监控系统的组成电力线载波通信技术，是利用电力线传送数据的一种通信方式，最初的应 用主要集中在高压远距离输电线路上，随着技术的发展，在中、低压配电网线 路中也得到了广泛应用。楼宇照明监控系统中的电力线通信是一种低压电力载 波窄带通信技术，就是借助已经布好的建筑照明低压供电线路进行数据通信的 一种方式。中心监挖站一控制牺揣I.一驾聲囲i控甲竿端mutin系统由中心监控站和控制
5、终端组成，它们都通过电力载波调制解调器与电 力线相连，中心监控站可以安装在楼宇配电控制室内或值班室内，通过电力线 向安装在供电线路上的控制终端发送控制命令，控制终端安装在受控照明灯具 附近，实时接收中心控制站发出的命令，完成对照明灯的开关控制，同时检测 照明灯的工作状态。2系统硬件设计2. 1电力线载波通信模块目前用于电力线通信的芯片有很多，意法半导体(ST)公司的ST7538电力线 收发器凭借其较好的性能，在小数据量低速数据传输方面得到了广泛应用，可 用于大规模的自动读表系统和家庭、楼宇的自动化解决方案中。ST7538是一种 半双工、同步/异步FSK调制解调器芯片，内部集成了电力线驱动接口，
6、具有 发送和接收数据的所有功能，只要通过耦合变压器等少量外围器件即可连接到 电力网中，通过串行可以方便地与微处理器相连接。芯片具有八种载波频率和 四种通信速率，可以通过编程进行选择，同时芯片还具有载波侦测、看门狗、 过零检测、温度保护等功能。F工 tl - liW】旳.L. rxi)i*.h卩1.7MC対iTX1Jt .?)RX IXL.jIRT speRFC MT.-1端3SQ 1 lOnl-Ht-r 丄MJ驼口 nF.1. BuiI12业九皴我浊迪倩擅坝址闔说计洪电纯跡电力线载波通信模块主要电路组成如图2所示，单片机通过串口与ST7538 进行数据交换，完成数据的发送和接收。设计中采用异步
7、串口通信方式，不对 控制寄存器进行操作，ST7538的UART / SPI管脚接高电平，REG DATA管脚接低 电平，系统工作在132. 5kHz调制频率信道，数据传输速率为2400bit s发 送数据时首先判断载波监听信号管脚CD / PD,该管脚为高电平时说明信道中没 有数据进行传输，然后通过I/O端口使RxTx引脚为低电平，数据以设定的波 特率通过TXD传输给ST7538处理器，发送数据经过调制、滤波和差分放大后， 由引脚ATOP1、ATOP2通过电力线接口电路发送到电力线上。由于其内部集成了 电力线驱动接口，外围电路设计比较简单，由电容、电感、电阻构成的二阶带 通滤波电路和1： 1隔
8、离变压器组成，元件的参数设计需根据选择的信道频率确 定。隔离变压器的输出端一端接在供电线路的零线N上，一端通过电感和X2安 规电容构成的滤波电路接在火线L上，图中虚线框内的耦合电路是将信号发送 到三相供电线路中，只应用在中心监控站。通过电力线传输的调制信号通过耦 合滤波电路由模拟输入端RAI管脚进入ST7538，通过滤波、解调等处理后形成 串行数字信号由RXD管脚将信号送入单片机串口接收端。2. 2中心监控站模块中心监控站单片机选择了带双串口接口的STC单片机STC12C5A08S2，外围 模块主要由时钟芯片、电力线通信模块、与计算机进行串口通信的电平转换接 口模块。系统中心监控站需根据时间信
9、息向控制终端发送控制命令，DS12C887 时钟芯片具有实时时钟功能，而且片上带有128字节RAM,其中113字节可以作 为单片机的外部存储器使用，芯片自带锂电池，掉电时内部RAM信息不丢失， 时钟能正常工作。单片机P0 口与DS12C887的地址数据端口相连，通过Intel数 据总线的方式对DS12C887中的RAM进行读写操作，包括工作模式设定、时间信 息设定、闹钟时间设定以及其他数据信息的存储等。时钟芯片的中断请求输出 端连接到单片机P3. 2管脚（外部中断0）,单片机通过设定闹钟时间，利用时钟 中断的方式向控制终端发出开关照明设备命令。每天的开关时间信息存储在掉 电不丢失的时钟芯片内部
10、RAM中。单片机具有双串口结构，其中一个串口及 P1. 6、P1. 7与电力线通信模块连接完成电力线载波通信的数据发送和接收， 另外一个串口通过RS232电平转换芯片与中心管理站的电脑相连，通过串口与 电脑进行数据通信。STC12（：5AOHS2卩0丄F3. 7/RDP3, 6/WRALE卩仁5PX2P3 O/KXDPl 1/TXDP1.6PL7ADONOAD7VCCiesFiDSI2C887供电线路L2 L3IJMO1电力线戟波通信摸块PK2ZRXD2Pl. 3/TXD2MAX232 电平转换2. 3照明控制终端模块照明终端监控电路由电力载波通信模块、工作电流检测模块、开关控制模 块和控制按
11、键及工作状态指示电路等几部分组成，电路设计如图4所示。处理器 选用了 AT89C2051单片机，其串口和I/O端口 P1. 6、P1. 7与电力线载波通信 模块相连，完成数据的发送和接收。单片机系统通过电流互感器检测照明线路 中工作状态下的电流，可以判断照明灯具是否出现损坏等故障。电流互感器的 变比为1000： 1,工作时输出的电流比较小，先通过集成运放1进行信号放大及 电流电压转换，集成运放2和集成运放3组成精密整流电路对信号进行整流，再 通过电容滤波得到一个直流电压信号，连接到单片机的P1. 0管脚，利用单片 机内部比较器，与P1. 1管脚设定的阈值电压进行比较，P3. 6是比较器的输出
12、端，比较结果可以反映照明灯具是否正常工作。电路中电阻R的参数设定需根 据照明灯具的功率来确定，照明灯具功率在40100W范围时，电阻R可以选取 6. 8k的电阻，阈值电压可以设为1. 2V，当照明灯正常工作时比较器输出高电 平。单片机通过P1. 4输出低电平使控制继电器闭合，对照明灯实现开关控制。电路中还设计了一个人工应急开关按钮，当按下SW键时，可以使开关闭合一段 时间后再断开，具体时间通过软件编程设定。TEST按钮用于安装测试，按下时 控制终端会发出链路检查请求，若与中心监控站通信链路正常，贝VPl. 3输出 低电平，点亮发光二极管LED1。同时也测试控制电路工作功能，P1. 4输出低 电
13、平打开照明灯，检查照明线路工作电流信号是否正常，若没有检测到工作电 流，灯泡可能已损坏，P1. 2输出低电平，故障指示灯LED2亮。可以在安装灯 泡和不安装的情况下进行测试，检查系统是否正常工作。3系统软件设计系统软件设计主要包括数据通信的实现、照明灯具开关控制及工作状态检 测的实现以及计算机管理和控制软件系统。中心监控站和控制终端之间通过电 力线载波进行数据通信，考虑到电力线信道动态变化的特点，数据通信采用应 答方式和超时重发机制。中心监控站和每个控制终端都有一个唯一的16位地址 编码(ID)，数据在传输时依赖这个地址编码确定发送端和接收端。中心监控站 向控制终端发送命令时，将需要发送的信息
14、按照规定的格式进行封装，形成数 据帧进行发送，数据帧的帧结构如图5所示。西结标志目的地扯!簿葩址槿氏度闵酉迪怡览戦荊蚣的数据帧包含目的地址和源地址，控制终端通过获取数据帧的目的地址判断 是否接收数据和响应。帧长度表示该字节后到校验码数据针对长度，用于接收 端判断并接收完整的数据帧。目的地址和源地址都分别重发一次用于接收端校 验判断，自帧长度之后的字节通过循环冗余校验产生校验码，接收端通过校验 判断数据帧是否传输正确。控制字为实现不同功能规定了不同的命令字，数据 段是不同命令所带的数据信息。为保证数据传输的可靠，发送数据时利用 ST7538的载波监听功能，在电力线上没有数据传输时发送数据，同时在
15、发送数 据帧之前和发送完数据帧之后多发几个字节可以提高通信的成功率。实验测试 表明，在一个楼宇内中心监控站和控制终端之间的电力载波通信都能实现。通 过软件设计控制终端可以具备中继站的功能，如果存在数据传输成功率低的问 题，可以采用中继的方式进行数据传输，实现楼宇照明系统的监控。在计算机上运行的控制管理软件通过计算机的串口与中心监控站进行数据 通信，实现照明系统开关灯时间信息设定、中心监控站校时、照明系统工作状 态监测和故障检测、对每个照明灯的单独控制等功能。对楼宇公共照明系统可 以统一设定开关时间，也可以根据具体需要分区域分别设定开关时间。计算机 只有在对控制参数设定和照明系统检测时才与中心监控站进行联机通信，一般 情况下中心监控站根据设定的控制参数独立运行，完成对公共照明系统的监控。 通过计算机管理软件设定的参数保存在掉电不丢失的时钟芯片RAM中，中心监 控站根据开关时间信息参数，设置时钟芯片的闹钟时间，利用闹钟中断的方式 对公共照明系统进行开关控制，可以发生广播命令统一控制，也可以分楼层、 分区域分别控制，以及对每个照明设备单独控制。当与计算机联机时，根据控 制管理软件发出的命令，将包含命令信息的数据帧发送到三相供电线路上，并 接收控制终端的反馈信息，转发给管理控制软件。控制终端通过电力线接
