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1 系統結構 教室電器智能節能系統主要由人體檢測、亮度檢測、溫度檢測、單片機模塊、電力線(xiàn)載波通信模塊、上位機控制軟件6個(gè)功能模塊組成。 該系統以PC機作為上位主機，各下位機由單片機組成，各下位機之問(wèn)無(wú)數據傳輸，只與主機產(chǎn)生數據交換，系統結構如圖1所示。 1.1 紅外檢測模塊 教室人數統計由2個(gè)人體檢測電路實(shí)現，分別安裝于教室門(mén)口內、外兩側。門(mén)內外兩側的紅外傳感器只要檢測到有人進(jìn)教室或出教室，其輸出將有電平跳變，從而先后觸發(fā)單片機的中斷，單片機根據中斷次數和順序統計教室人數。紅外傳感器采用熱釋電紅外傳感器D203S，其外圍電路如圖2所示，IClA是一級低頻信號的放大電路，放大后信號濾波電路選出信號0.2～10 Hz的信號。 在靜態(tài)時(shí)，6，7腳的電壓也是1/2VCC，當有信號后，6腳的電壓就會(huì )在1/2VCC上下擺動(dòng)，這個(gè)電壓再通過(guò)IClB進(jìn)行放大，輸入到后面的比較電路，該門(mén)限電路不管輸入信號是在1/2VCC上偏還是下偏，都將在上下門(mén)限值之間輸出一個(gè)高電平，此高電平經(jīng)過(guò)光耦后的信號作為單片機INT0外部中斷的請求信號。 1.2 電力載波通信模塊 上位機須根據單片機的檢測數據自動(dòng)控制教室照明和風(fēng)扇的開(kāi)通與關(guān)斷，而上位機與各個(gè)單片機之間的信號傳輸是通過(guò)2片電力載波芯片LM1893將信號在電網(wǎng)上調制或解調來(lái)實(shí)現。 LM1893是美國國家半導體公司生產(chǎn)的高性能專(zhuān)用電力載波通信芯片，具有使用方便、價(jià)格低廉、精度高和可靠性好的特點(diǎn)，采用移頻鍵控的調制解調方式，抑制噪音的FSK調制方式，可實(shí)現任意編碼方式的數字序列半雙工通信，載波頻率在50～300 kHz之間可選擇。 單片機機與電力載波通信芯片LM1893連接電路如圖3所示，上位機與LM1893的外圍電路基本與此類(lèi)似。LM1893的5腳為T(mén)X／RX發(fā)送接收控制端，由單片機的P1.0端控制，高電平為發(fā)送狀態(tài)，低電平為接收狀態(tài)。LM1893輸入端17管腳與單片機的串行發(fā)送端相連，當控制端為電平時(shí)，由單片機輸入的數據經(jīng)LM1893芯片內部的調制振蕩單元，調制為125 kHz的正弦模擬信號，經(jīng)過(guò)功率放大后從芯片的I／O(第10管腳)輸出，最后通過(guò)信號耦合變壓器將此模擬信號耦合到電網(wǎng)上，實(shí)現數據的傳送。 當控制端為低電平時(shí)，接收端12管腳與單片機的串行輸人口接收端相連。從電力線(xiàn)上來(lái)的信號經(jīng)高壓耦合電容和變壓器T組成的耦合電路從LM1893的10腳送入內部平衡限幅放大器，經(jīng)芯片內部電路的解調處理，從數據輸出端12腳輸出數據信號(TTL電平)，從而實(shí)現單片機的接收。上位機的發(fā)送接收的方式和原理與此相同，不贅述。 2 系統的軟件設計 2.1 通信協(xié)議 為了保證電力線(xiàn)通訊的順利進(jìn)行，本系統采用的通信協(xié)議遵守《地區電網(wǎng)數據采集與監控系統通用技術(shù)條件》，并且參照X-10協(xié)議。在電力線(xiàn)載波通信的過(guò)程中，因為采用異步半雙工工作方式，所以一定要有包含控制機制的傳輸協(xié)議以確保數據的可靠傳輸。上位機和下位機需采用適當的協(xié)議和時(shí)序配合。該設計中，每次通訊過(guò)程總是由上位PC機首先發(fā)起，通訊時(shí)單片機先進(jìn)入通訊狀態(tài)，等待與計算機通訊。上位機向下位機發(fā)送的命令為系統碼、地址碼、命令碼和校驗碼。 由于采用共用的電力線(xiàn)通訊，為避免電力線(xiàn)上的雜波載波信號對本系統主機和各從機的誤接收，在發(fā)送地址信號前，加了一個(gè)系統碼。而校驗碼是對此碼前所傳送的所有數據進(jìn)行簡(jiǎn)單加法，保留1個(gè)字節，進(jìn)位自然溢出得到的數值，數據傳輸的接收方對所收到的數據的正確性進(jìn)行判斷。同理，從機向主機發(fā)送命令為起始碼、地址碼、數據塊和校驗碼。 2.2 上位機軟件實(shí)現 上位機采用Delphi 7作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，對數據的存儲采用數據庫Paradox，此單端數據庫由Borland公司開(kāi)發(fā)，可采用BDE引擎，與Delphi 7融合較好。對串口RS 232直接使用Windows API函數和多線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現通信功能，串口通信軟件由負責人機交互的主線(xiàn)程和對串口進(jìn)行處理的后臺輔助線(xiàn)程組成。 通信軟件構架如圖4所示，主線(xiàn)程是串口通信程序的管理者，用來(lái)初始化串口(通過(guò)調用Win32 API函數)，自定義通信事件消息，創(chuàng )建、刪除輔助線(xiàn)程，進(jìn)行人機交互的操作及協(xié)調好各線(xiàn)程運行。輔助線(xiàn)程是串口通信軟件的核心，包括讀線(xiàn)程和寫(xiě)線(xiàn)程。輔助線(xiàn)程對串口進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，當監測到預定義的事件時(shí)，立即調用相應的線(xiàn)程進(jìn)行處理并向主線(xiàn)程發(fā)相應的消息，如串口出錯，則退出線(xiàn)程并向主線(xiàn)程報錯；如接收到數據就調用讀線(xiàn)程自動(dòng)接收數據并進(jìn)行處理。 本系統由于對實(shí)時(shí)性要求不高，波特率選用在600～1 200 b／s之間，上位機的自定義幀格式為1位起始位，8位數據位，1位地址幀識別位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗位。上位機工作流程如圖5所示，上位機通過(guò)RS 232串行發(fā)送口TXD以廣播形式向下位機先發(fā)系統碼后發(fā)地址碼，經(jīng)LM1893調制成125 kHz的正弦信號，通過(guò)耦合變壓器，耦合至電力線(xiàn)上。上位機發(fā)送后將設置LM1893為解調狀態(tài)處，準備接收數據。而所有從機的LM1893已處于解調狀態(tài)，完成接收數據，此數據通過(guò)中斷服務(wù)子程序由單片機串行接收口RXD輸入各自CPU，如果起始碼和地址碼都正確，從機將LM1893設置為調制狀態(tài)，將地址確定信號返回信息給主機。主機收到數據，對正誤標識進(jìn)行判斷，如收到正確返回信號，則繼續與此從機通信；如遇錯誤標識或在一定時(shí)間內沒(méi)收到回送信息，則進(jìn)行命令重發(fā)。 2.3 下位機軟件實(shí)現 由于涉及到單片機多機通訊，因此單片機串行口工作方式選為方式3，通訊格式為每11位構成一串行幀：1位起始位(0)，8位數據位(最低有效位在前)，1位地址幀識別位(1)，1位停止位(1)，無(wú)奇偶校驗位(上位機的地址幀的識別位將進(jìn)入單片機RB8)。 下位機軟件流程如圖6所示，其中flag1是當前通信單片機的標志位，當flag1=1時(shí)，表示此單片機正在通信，其他單片機的flag1全置零，防止誤動(dòng)作；flag2是為了防止由于錯誤通信，還沒(méi)有發(fā)送有效數據就導致相應用電設備的誤動(dòng)作，通過(guò)軟件設計減小錯誤的發(fā)生。 最后，由于交流電網(wǎng)上的干擾因素較多，為了盡可能的排除干擾，接收端得到正確可靠的信號，要求接到電力載波芯片10管腳的信號耦合變壓器的設計既要保證有用信號的正確耦合，又要隔離電網(wǎng)雜波。除此之外，上位機軟件可通過(guò)校驗碼和對每個(gè)數據重發(fā)10次，接收端對接收的10個(gè)數據取相同個(gè)數最多的數據作為有效數據去處理來(lái)盡量減少干擾引起的通信失敗。 3 結語(yǔ) 實(shí)驗證明基于電力載波開(kāi)發(fā)的教室電器智能節能系統能可靠地完成PC機與單片機完數據的遠程傳輸，實(shí)現對教室照明系統的智能控制，達到了節能的作用。若將其做些適當的改裝應用于諸如社會(huì )生產(chǎn)等其他方面，將會(huì )為全社會(huì )帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益。由于在實(shí)際測試中基于載波的通信系統，交流電網(wǎng)干擾因素較多，為了盡可能排除干擾就要從系統的軟件和硬件的設計同時(shí)著(zhù)手。對于通訊速度要求不高的系統，如網(wǎng)絡(luò )抄表系統能、智能大樓控制系統，電力線(xiàn)載波通訊有很大的實(shí)用和推廣價(jià)值。 |
