基于电力载波技术的公共照明远程控制系统研究

摘要

近年来，我国经济迅猛发展，工业发展水平显著，但高能耗、高排放的产业依然存在，由此导致能源消耗量和排放量依然呈现快速增长的趋势。其中，电力工业作为能源消耗大户，其对燃煤的消耗占全国消耗总量的60％以上。电力产业链主要包括发电、电力传输和用电三个环节，三者之中，又以用电环节所造成的能源浪费现象最为严重。例如学校、商场、办公楼等公共场所中，常常出现人走灯未灭的情况，这一类看似微小的疏忽积少成多，造成的浪费难以估量。在大型公共场所照明设备的传统控制方式上，一般都停留在专人负责手动控制的阶段，控制十分不便，对人力资源造成了不必要的耗费。另外，在现行的智能家居控制系统中，多采用无线通讯技术，易受到障碍物、通信距离等因素的影响。本文针对目前公共场所照明设备控制领域存在的上述问题，以及响应国家对低碳环保、节能减排的号召，研究设计了一种基于电力载波技术的公共照明远程控制系统。论文主要包含如下工作：
　　（1）公共照明远程控制系统总体架构方案设计。通过对系统整体功能需求的分析与研究，以及对电力线载波通信技术、串行接口通信技术、无线通信技术等技术的研究，在实现对公共场所照明设备进行远程控制主要功能的基础上，为了实现控制信息双向通信、自定义设置电力载波通信编码、跨变压器台区通信进而进行设备控制等创新功能，设计公共照明远程控制系统的整体方案。利用电力网线路覆盖面广的优势，以电力线载波技术作为系统主要通信手段，辅之以串行接口通信技术、IIC总线技术、ZigBee无线通信技术等，以公共场所的照明设备作为控制对象，构建由控制中心计算机、主控模块、电力载波开关、无线通信模块等环节组成的整体架构。
　　（2）公共照明远程控制系统的硬件选型及电路设计。根据系统通信过程中的不同工作环节划分，分别对主控模块、无线通信模块、电力载波开关模块进行了相关研究与设计工作。通过对相关硬件设备的成本、性能等因素的研究并结合系统需求以及实际研究条件等因素进行权衡，最终明确以HLPLCS520F芯片作为实现系统中电力载波通信功能的通信芯片，以CC2530系列芯片为中心构建系统中的ZigBee无线通信模块，以及以ARM7系列的嵌入式芯片 LPC2103作为主控模块的控制中枢。在研究确定硬件选型的基础上，根据需求设计主控模块、无线通信模块、电力载波开关模块的硬件电路，完成各主要电路的功能实现以及测试工作。
　　（3）公共照明远程控制系统相关软件功能设计与实现。以对整体功能的研究为蓝图，结合相应硬件结构，设计系统各模块的软件。根据设计需求，先对各功能进行方案的研究设计，并绘制流程图实现相应的功能。随后结合系统整体需求对ZigBee协议、IIC总线协议等相关内容进行研究，结合对上位机界面设计、微控制器相关程序设计、无线通信软件设计相关的开发平台的研究，分别完成控制中心计算机的管理界面设计、主控模块及电力载波开关模块的程序设计以及无线通信模块的程序开发。在完成对各单元软件功能进行独立调试的基础上，最后完成系统整体软件功能的测试，并对存在缺陷进行完善。
　　（4）系统抗干扰性能的研究。对系统中存在的干扰因素进行研究，主要对电力线载波通信过程中的干扰特性进行研究与分析。通过分析系统通信过程中可能存在的问题，提出具体的措施以提升系统通信质量，包括研究路由分簇算法以提升通信自组网能力，研究扩频通信技术以对抗电力载波通信所存在的信道干扰，采用冗余容错法以降低通信过程中的丢码、误码概率，同时提出一种新的通信编码结构以解决现有电力载波开关设备可能存在的重码问题。
　　完成系统的研究设计工作后，对其进行测试评估，达到了设计的预期目的。通过计算机仿真与实际应用的实验结果表明，分簇路由算法、扩频通信技术、冗余容错技术等手段的加入可使系统通信质量得到提升，使系统运行的稳定性得以保证。使用本系统无需额外铺设通信线路，在一定程度上降低了成本，同时通过控制中心计算机进行远程操作，可对照明设备随时监视、及时控制，为公共场所照明设备的管理工作提供便利，从而减少管理成本和资源浪费。

目录

1绪论

1.1 论文研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 论文研究内容及组织结构

2系统方案研究与设计

2.1 系统整体框架研究

2.2 串行接口通信技术分析与研究

2.3 电力载波通信技术分析与研究

2.4 无线通信网络分析

2.5 本章小结

3公共照明远程控制系统硬件研究与设计

3.1 电力载波开关相关研究与设计

3.2 主控制器模块分析与研究

3.3 无线通信模块研究与设计

3.4 本章小结

4公共照明远程控制系统软件研究与设计

4.1 上位机软件功能分析与设计

4.2 电力载波开关软件研究与设计

4.3 无线通信模块软件研究与设计

4.4 本章小结

5公共照明远程控制系统抗干扰性研究

5.1 系统干扰因素分析

5.2 分簇路由算法研究

5.3 扩频通信技术研究

5.4 冗余容错技术研究

5.5 本章小节

6总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

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