教室节能系统的设计

　　摘要：本文介绍了一种基于电力载波通信的教师节能系统的设计方法，给出系统硬件结构，对红外检测的电路、电力载波芯片LM1893的工作原理以及单片机相应的外围电路进行分析，并这种介绍基于载波通信的PC机与单片机多机通讯的通讯协议以及上位机和下位机软件设计思路。经实验证明，该系统运行可靠。

    上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机，一般是PLC/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。简言之如此，真实情况千差万别不离其宗。上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。

　　通信协议（communications protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。

　　1 系统结构

　　教室电器智能节能系统主要由6个功能模块组成。分别是人体检测、亮度检测、温度检测、单片机模块、电力线载波通信模块和上位机控制软件。

　　该系统的上位主机以PC机负责，单片机组成各下位机，各下位机之间无数据传输，只与主机产生数据交换，系统结构如图1所示。

　　1.1 红外检测模块

　　我们分别安装2个人体检测电路于教室门口内、外两侧，一检测到有人进出教室，红外传感器输出将有电平跳变，先后触发单片机的中断，单片机会根据中断次数和顺序来统计教室人数。红外传感器采用热释电红外传感器D203S，其外围电路如图2所示，IClA是低频信号的放大电路，放大后信号滤波电路能选出信号0.2～10 Hz的信号。

　　在静态时，6，7脚的电压也是1/2VCC，当有信号后，6脚的电压就会在1/2VCC上下摆动，这个电压再通过IClB进行放大，输入到后面的比较电路，该门限电路不管输入信号是在1/2VCC上偏还是下偏，都将在上下门限值之间输出一个高电平，此高电平经过光耦后的信号作为单片机INT0外部中断的请求信号。

　　1.2 电力载波通信模块

　　上位机利用单片机提供的数据能自动控制教室照明和风扇的开通与关断，单片机之间的信号传输是通过2片电力载波芯片LM1893将信号在电网上调制或解调来实现。

　　LM1893是美国国家半导体公司生产的具有使用方便、价格低廉、高和可靠性好等特点的高性能专用电力载波通信芯片，其采用移频键控的调制解调方式，抑制噪音的FSK调制方式，可实现任意编码方式的数字序列半双工通信，载波频率可在50～300 kHz之间。

　　单片机基与电力载波通信芯片LM1893连接电路如下图3所示，上位机与LM1893的外围电路基本与此类似。LM1893的5脚为TX／RX发送接收控制端，由单片机的P1.0端控制，高电平为发送状态，低电平为接收状态。LM1893输入端17管脚与单片机的串行发送端相连，当控制端为电平时，由单片机输入的数据经LM1893芯片内部的调制振荡单元，调制为125 kHz的正弦模拟信号，经过功率放大后从芯片的I/O（第10管脚）输出，通过信号耦合变压器将此模拟信号耦合到电网上，实现数据的传送。

　　当控制端为低电平时，接收端12管脚与单片机的串行输人口接收端相连。从电力线上来的信号经高压耦合电容和变压器T组成的耦合电路从LM1893的10脚送入内部平衡限幅放大器，经芯片内部电路的解调处理，从数据输出端12脚输出数据信号（TTL电平），从而实现单片机的接收。

　　2 系统的软件设计

　　2.1 通信协议

　　通信协议是通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。

　　为了保证电力线通讯的顺利进行，本系统采用的通信协议遵守《地区电网数据采集与监控系统通用技术条件》，并且参照X-10协议。在电力线载波通信的过程中，因为采用异步半双工工作方式，所以一定要有包含控制机制的传输协议以确保数据的可靠传输。上位机和下位机需采用适当的协议和时序配合。该设计中，每次通讯过程总是由上位PC机首先发起，通讯时单片机先进入通讯状态，等待与计算机通讯。上位机向下位机发送的命令为系统码、地址码、命令码和校验码。

　　由于采用共用的电力线通讯，为避免电力线上的杂波载波信号对本系统主机和各从机的误接收，在发送地址信号前，加了一个系统码。而校验码是对此码前所传送的所有数据进行简单加法，保留1个字节，进位自然溢出得到的数值，数据传输的接收方对所收到的数据的正确性进行判断。同理，从机向主机发送命令也跟上位机向下位机发送命令相同。

　　2.2 上位机软件实现

　　上位机采用Delphi 7作为开发环境，对数据的存储采用数据库Paradox，此单端数据库由Borland公司开发，可采用BDE引擎，与Delphi 7融合较好。对串口RS 232直接使用Windows API函数和多线程技术实现通信功能，串口通信软件由负责人机交互的主线程和对串口进行处理的后台辅助线程组成。

　　通信软件构架如上图4所示，主线程是串口通信程序的管理者，用来初始化串口（通过调用Win32 API函数），自定义通信事件消息，创建、删除辅助线程，来进行人机交互的操作及协调好各线程运行。辅助线程是串口通信软件的，包括读与写俩个线程。辅助线程对串口实时监视，当监测到预定义事件时，立即调用相应的线程进行处理并向主线程发相应的消息，如串口出错，则退出线程并向主线程报错；如接收到数据就调用读线程自动接收数据并进行处理。

　　系统对实时性要求不是很高，波特率选用在600～1200b/s之间，上位机的自定义帧格式为1位起始位，8位数据位，1位地址帧识别位，1位停止位，无奇偶校验位。上位机工作流程如图5所示，上位机通过RS 232串行发送口TXD以广播形式向下位机先发系统码后发地址码，经LM1893调制成125kHz的正弦信号，通过耦合变压器，耦合至电力线上。上位机发送后将设置LM1893为解调状态处，准备接收数据。而所有从机的LM1893已处于解调状态，完成接收数据后，通过中断服务子程序由单片机串行接收口RXD输入各自CPU，如果起始码和地址码都正确，从机将LM1893设置为调制状态，将信号返回主机。主机收到数据后，会对正误标识进行判断，如收到的返回信号正确，则继续与此通信；如遇错误标识或一段时间内没收到回信，则进行重发。

　　2.3 下位机软件实现

　　由于涉及到单片机多机通讯，因此单片机串行口工作方式选为方式3，通讯格式为每11位构成一串行帧：1位起始位（0），8位数据位（有效位在前），1位地址帧识别位（1），1位停止位（1），无奇偶校验位（上位机的地址帧的识别位将进入单片机RB8）。

　　下位机软件流程如图6所示，其中flag1是当前通信单片机的标志位，当flag1=1时，表示此单片机正在通信，其他单片机的flag1全置零，防止误动作；flag2是为了防止由于错误通信导致相应用电设备的误动作，通过对软件的设计减小错误的发生。

　　交流电网的干扰因素较多，为了尽量排除干扰，使接收端得到正确可靠的信号，要求接到电力载波芯片10管脚的信号耦合变压器的设计既要保证有用信号的正确耦合，又要隔离电网杂波。除此之外，上位机软件可通过校验码和对每个数据重发10次，取相同个数多的数据作为有效数据去处理来尽量减少通信误差。

　　3 结语

　　经实验表明，教室电器智能节能系统对教室照明系统实现智能控制，充分达到节能的目的。电力载波模块适用于工业控制，智能家居，智能停车场系统，安防控制，集中抄表等数据转换领域。我们将着手于系统的软件和硬件的设计，尽可能排除众多因素对交流电网的干扰。本系统有很大的实用和推广价值，对于网络抄表系统能、智能大楼控制系统，电力线载波通讯通讯等这些速度要求不高的系统极其实用。