电力载波技术在实验室照明系统中的应用

    翟逸飞

    

    

    摘 要：基于电力载波通信技术，本文通过对电力载波技术的原理与应用进行探讨，针对学校实验室的照明系统，分析基于电力载波技术的实验室照明控制系统的应用。旨在倡导节能减排，促进资源的合理利用，避免不必要的电力浪费。

    关键词：电力载波;照明控制系统

    1 目前实验室照明系统中存在的问题

    目前的高校实验室，多是集中在一起，或是独立成栋。不同学科，不同实验室的分布，导致诸如以下问题：

    1.1 能源消耗较大

    传统的室内照明系统，上课时由开门人员开灯，下课后若管理人员不及时关灯或课后学生忘记关灯，那么存在课后一段时间内室内无人情况的照明，如若这种情况的实验室较多，就会产生不必要的电能浪费，造成不必要的经济损失。

    1.2 监控管理方式落后

    传统的监控模式，不能具体到每一盏灯，无法对单灯运行情况进行实时且准确的监控管理，如若某盏灯出现故障，不能及时反馈到维修人员，也不能对故障的处理情况进行更新和分析。同时，传统监控管理方式不能实现远程操作功能，只能进行实地查看。

    1.3 维护效率较低

    一般实验楼都配有专门的管理员，负责实验室平时的水电监控和管理。传统的监控方式是逐一房间、逐一楼层的检查，看是否有下课后没关水电的情况。这种方式较为粗放，不能具体到每一盏灯。管理员通常首先看是否存在浪费电能的情况，但若要排查哪几盏灯出现故障，出现故障的灯具位于实验楼何位置，还得进行逐一开关灯进行排查，或者由实验室使用人员进行上报故障，费时费力，不能精细化管理每盏灯的状态信息。

    2 电力载波通信技术概述

    电力载波通信技术，是以电力线作为传输媒介来实现数据传递和信息交换的通信。它的工作原理是：将信号源发出的信号通过编码，再进行调制，把信息上传在信道上并通过现有的电力线进行传输，在接收端将耦合的信息解调，再译码后送给用户端，这样完成的信息的传递。电力线具有分布广泛、直达用户、接入操作简单、设备成本少等特点。利用它进行数据通信，传递各种信息，结构简单、维护方便。这种技术目前在电力生产、电网管理、智能抄电表等领域广泛应用。

    3 系统原理与结构

    系统结构为控制端、载波网关、节点及被控灯组成，系统结构如图1所示。这里采用电力载波技术，各节点及网关之间采用载波通信。在被控部分，由各载波传感控制节点组成，节点通过继电器连接灯具从而进行开关控制。为了检測的准确性，各节点设计加入多重传感器，如红外传感器监测实验室内的人员上下课情况以确保开关灯的无误差。同时，为了实现对室内灯具状态的监测，还进行有电流检测环节，从而通过电流的变化对连接到本节点灯光的故障状态进行检测，方便快速维修。客户界面的设计包含灯具的开关状态的读取显示和控制及灯具故障检测功能组成。其中，灯具开关的读取与控制是通过节点反馈灯光点的状态并结合红外传感器的状态，进行的远程开关灯操作，如节点反馈灯具为点亮，同时室内红外传感检测无人时，等待一定的时间后，若仍无检测到有人信号出现，则进行自动关灯操作;灯具故障检测功能通过检测各节点的灯具故障信号，如出现故障，在控制界面闪烁报警信号，来提示工作人员方便、准确的进行维修处理。

    单灯监控器需要安装在实验室要控制的每个照明灯上。当某盏灯的监控器接收到通过电力线传输过来的数据命令，对信号进行解调和译码，完成相应的指令操作，如开关灯，调光，故障查询等，当灯具执行完指令后将电信号通过监控器再反馈给控制终端，通过控制终端的显示界面可以查询照明系统的工作情况，如遇故障可以通过界面看到是哪个房间哪盏灯出现故障，同时，在显示界面上出现如灯光闪烁、声音报警等信号以提示管理人员进行检修。

    常用的无线通信技术有电力载波技术，GPRS无线技术和ZigBee无线通信技术。GPRS无线传输设备主要针对工业级应用，其基于GSM消息平台及GPRS数据网络，可实现远距离数据信息传输。ZigBee无线技术同样具有专用芯片，主要用于距离短、功耗低的不同种电子设备间的信息传递。

    对于采用单纯的利用电力载波通信技术，会存在信号衰减的问题，同样若采用单纯的无线通信，信号在传输过程中由于障碍物的阻挡，会导致信号衰减、传输距离有限的问题。所以，通常，采用两者结合的方式进行远程照明系统的控制。

    （1）通过电力载波通信和GPRS网络结合，组成远程无线监控系统，实现远程通信，远程控制。其工作原理为：通过计算机控制照明系统网络，经GPRS网络与采集器进行连接，采集器通过电力线传输指令来控制所在线路上的照明状态。如遇照明故障，信息由照明终端发送故障信号通过电力线传送至采集器模块，再通过GPRS网络将接收到的状态返回给计算机。通过监控界面，可以准确看到是哪路照明出现的故障。

    （2）通过电力载波和ZigBee无线通信技术结合，实现照明系统的远程控制。其工作原理为：通过计算机作为总控，向主控模块发送指令及接收其反馈的照明状态信息。主控模块将计算机发送的信号进行编码、调制后传送到电力线上。ZigBee无线通信模块通过中继功能解决信号的衰减，同时可以有效的在电力载波信号受阻线路上实现中继传输。从而达到提高通信质量的目的。

    4 上位机设计

    考虑到系统显示界面可扩展到触摸屏上，并通过触摸屏做上位机进行照明系统的操作，所以设计利用组态软件MCGS将嵌入式一体化触摸屏接入系统中。通过触摸屏软件操作，可直接进行灯具的开关、灯光亮度的调节、灯光状态指示灯显示、历史数据的查询等操作。这里模拟设计了对电工实验室的3盏灯的状态显示、亮度调节和远程控制开关。设计软件界面如图2所示。通过软件界面，除了可完成对3盏灯的单独控制，包括是否有故障、亮度调节和开关灯的功能，还能在按下群控按键后实现对3盏灯的同步控制：按下任意一组控制开关可实现对全部灯具的开关动作，拉动任意一个亮度调节的滑动条均可实现对3盏灯的亮度同步调节功能。如要退出群控功能，则再次按下群控按钮即可。

    5 实验室照明控制系统的发展方向

    相比教室的使用率，部分实验室的使用可能每学期较为集中在一两个月中，可以说实验室的照明分为两部分，集中使用期和空闲期。针对这一特点，实验室的照明系统的智能控制可以有以下几方面的发展：

    5.1 控制智能化

    现如今，随着科技发展，新一代的网络技术发展迅速，全社会在大力普及5G技术，利用5G的高速网络功能，结合电力载波技术，可实现在手机终端就可实时监控室内照明情况，这样相比传统的专人负责，专人巡查的方式可以得到改变，节省人力，控制更便捷。

    5.2 平台的可扩展化

    实验室不同于教室，实验楼在下课时期可能整栋楼都无人，设备看管、防火等问题就比较凸显，所以系统除了实现智能照明控制外，还可扩展更多功能，如加入声、光、烟雾的监测报警功能。这样的实时监控可以大大降低火灾事故的发生，减少损失，保障安全使用。

    5.3 实验室的管理集中化

    高校实验中心或实验楼，多数集中了多学科的实验室，以方便使用和管理。但各个实验室的管理可能不统一，可能会出现某个楼层或某间实验室的照明为按要求正常开关或出现故障的情况。采用集中式管理，能够进行照明的单个房间的控制、一层楼的控制以及多层多室的控制，并将照明状态数据反馈管理员，以方便集中管理和维修。

    5.4 调节模式的多样化

    用传感器实现多种功能的调节，如用红外传感器进行检测室内是否有人，如若灯亮以及室内无人且达到一定的时间，系统可自动执行关灯程序而无需手动操作。或者按照课程表安排，系统实现自动按时开关灯操作。同时，根据室外环境亮度变化，可以自动调节室内照明灯具的明暗，以达到电能的最大利用率又避免过度照明产生的光照污染及电能浪費。

    6 结语

    综上所述，电力载波通信技术具有广阔的应用空间。有必要深度研究，开发出性能更可靠、功能更多样、使用更便捷的载波技术。随着科技的不断发展、新技术的不断诞生，电力线载波技术也必将会得到进一步的改进、发展和完善，同时也会使得照明控制更加智能化。

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