基于单片机控制的智能教室管理系统中直流载波通信的设计

王靓，范德辉

（青岛职业技术学院 软件与服务外包学院，山东 青岛 266555）

基于单片机控制的智能教室管理系统中直流载波通信的设计

王靓，范德辉

（青岛职业技术学院 软件与服务外包学院，山东 青岛 266555）

针对目前高校智能化教室管理的具体需求，基于单片机的控制，提出了采用直流载波通讯技术的智能化教室管理系统。论述了教室智能管理系统的系统结构、供电方式，以及基于单片机控制的直流载波通信技术的软硬件设计，并由此完成各单体教室管理系统与主控室系统之间的供电与通信。实验结果表明，该系统可以有效实现教学楼宇的智能控制，通信稳定性高。

直流载波通信技术；教室管理；智能控制；单片机控制

随着电子技术和智能化技术的发展，人们对工作环境的智能化要求也越来越高［1-3］。对于高校来讲，教学楼的智能化控制非常重要，直接影响着学生的学习环境及设备和电力的损耗、安全性等问题，因此建设高校教学楼智能控制系统，实现对教学楼用电、照明、多媒体、门禁的管理具有重要意义。

目前，许多高校的教室虽然采用各种措施实现了单体教室的多媒体控制、照明管理和门禁设置，但多种控制系统不能综合管理，而且多数采用孤立的单教室控制，虽然从一定程度上解决了部分管理问题，但却也存在着不能实时地了解各个教室的情况，不能及时检修、远程控制等缺点。

为此，本文提出了单片机控制的智能教室管理系统，并利用主控室和单体教室之间的供电线进行直流载波通信，相比于其他的传输方式，大大减少了布线，无需过多其他的要求，就能将各个教室的情况实时地传送到主控室，同时可以通过主控室来监控各个教室实时的情况，并根据实际需要加以远程控制。

1　系统设计

在智能教室管理系统中，由于整个系统需要完成每个教室的单独控制同时又要完成整个教学楼的统一管理，所以在智能教室管理系统中每个教室设置有教室分机，整个教学楼设置一个控制管理总机，两者之间供电采用主机向分机供直流电，而为了减少布线、提高系统稳定性，主机与分机间的通信采用直流载波通信技术。

智能教室管理系统分为上位总机和下位分机，系统结构如图1所示。下位分机安装在每个教室里，负责管理当前教室的照明、供电、多媒体设备、门禁等状况，同时又能够将单体教室实时状态传送给上位总机。而上位总机可以接收各分机传来的信息，实时掌握每个教室的状况，同时能够对分机发送指令，达到远程开关、远程控制功能。

图1　系统结构图

2　电源电路

智能教室管理系统电源电路采用主机由市电经电源适配器供电，分机由主机提供+20 V直流电压的方式进行。主机电源电路如图2所示，主机向分机供电电路如图3所示，分机电路如图4所示。

图2　主机电源电路原理图

图2中主机电源电路经由J1从适配器引入+24 V直流电压，二极管D1起到保护作用，电感LG1用于滤除电源的波动，为电路提供稳定直流电压V+。V+经高压降压转化器MP1 430处理得到主机系统所需的+5 V模拟电路直流VCM及数字电路直流电压+5 V和+4.5 V。

图3　主机向分机供电处理电路原理图

图3所示为主机向分机供电处理电路，主机电压V+经过可调稳压电源LM317的调节和稳压输出+20 V直流电压供给分机。

图4为分机电路原理图，接插件J1ZX接主机供电线，整流二极管D2～D5使得电路供电线具有防错插功能，不管两根主机供电线正接或者反接，经由整流二极管D2～D5的处理总可以在D6的阳极和GND之间得到+20 V左右的直流电压。+20 V的直流电压经过三极管Q1在集成三端稳压器HT7136的输入端上得到+15 V左右的电压，稳压管ZD2起到稳压保护的作用，10 uF的电解电容保障了HT7136输入端得到的电压不至于降得太低。+15 V电压经由HT7136的处理在输出端得到3.6 V，接到单片机CDI602的1脚用于给单片机提供工作电压。

3　直流载波通信技术

图4　分机电路原理图

载波通信是电力系统特有的一种通信方式，是利用现有电力线，在发送端通过载波方式将模拟或数字信号在导线上进行高速传输，接收端进行解调的技术，最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线就能进行数据传输［4］。

3.1硬件电路

由于系统采用直流供电线进行载波通信，所以直流载波处理硬件电路一部分是和电源电路结合在一起的，图3既是主机向分机供电处理电路同时也是主机发码处理电路，图4分机电路原理图中也包含有分机收码、发码电路。

3.1.1主机发码电路

主机向分机发码采用+20 V和+6.5 V的高低电平的变化进行。如图3所示，可调稳压器LM317输出端的电压值的大小受1脚对地电阻阻值的影响，1脚和2脚之间240 Ω的电阻两端的电压固定是+1.25 V。当主机单片机P3.6输出为低电平“0”时，三极管QS2截止，1脚对地调节电阻阻值为R39的阻值，lm317的 2脚输出电压计算值为 1.25/240*7K5+ 1.25=40.35 V，因40.25 V＞V+，所以实际2脚输出电压输出略低于V+电压值；当主机单片机P3.6输出为高电平“1”时，三极管QS2导通，1脚对地调节电阻阻值为R39和R36并联值，lm317的2脚输出电压为1.25/240*（1K5||7K5）+1.25=7.25 V，这两个高低的电压值经过后面电路的处理，由J3输出到分机上分别约为+20 V和+6.5 V。利用高低电平的组合变化就可以由主机向分机发码，而低电平采用+6.5 V左右，保证了分机始终能够正常工作。

3.1.2分机收发码电路

如图4分机电路原理图所示，单片机CDI602的7脚是分机收码端，主机发来的+20 V的高电平和+6.5 V的低电平低经过D2～D5组成的防错插电路，分别约降0.7 V，经510 Ω的电阻R3和100 Ω的电阻R4的串联分压，在分机收码分别得到3.2 V和0.9 V左右，正好对应单片机能够处理的高低电平。

单片机CDI602的3脚是发码端，通过3脚输出高低电平在供电线上形成电流的变化，当3脚输出为高电平时三极管Q2导通，R9上有电流，当3脚输出低电平时三极管Q2截止，R9上没有电流，通过电流有无的变化可以将分机信息传送给主机。当分机需要发码时，由单片机CDI602的3脚输出频率为100 kHz的方波，则在供电线上形成频率为100 kHz的电流的变化。

3.1.3主机收码电路

如图3所示，分机发码形成的电流的变化引入到了主机kHz接收端，通过电容C40和电感L3的并联谐振电路将电流的变化转换成为电压的波动变化，主机kHz接收端会得到在供电电压20 V上下2 V范围内形成的频率为100 kHz电压波动，如图5所示。

图5　主机收码示意图

主机kHz接收端得到的电压波动单片机是不能够直接处理的，需要先经过图6所示主机收码处理电路做预处理再送给单片机。主机kHz接收端的电压波动连接到锁相环电路LM576之后，将100 kHz的电压波动解码成为同等时长的低电平0 V，而非100 kHz通过上拉电压VCM和电阻R9解码成为高电平+5 V，经由LM576的8脚输出到单片机的中断输入端，转变为了单片机可处理的高低电平信号。

图6　主机收码处理电路原理图

3.2通讯协议

3.2.1主机向分机发码

如图7所示，主机向分机发码直接由高低电平的变化形成相应码值，由于供电线需要大部分时间保持为高电平，所以主机发码均以低电平为启始。首先发送20 ms低电平，让分机做好收码准备，随后发送时长为5 ms的低电平加时长为15 ms的高电平组成的“1”信号，或者时长为15 ms的低电平加时长为5 ms的高电平组成的“0”信号组成的一串码。因为所有分机均并联至主机，所以主机发码中除了设置相应的命令，还要附带发送分机号，所有分机都会收到主机的发码，但是只有相应分机号码的分机才会执行命令，其余分机只收码不响应。

3.2.2分机向主机发码

图7　主机发码示意图

由于一个主机对应多个分机，所以分机向主机发码前先要发送长度为5 ms的100 kHz的发码请求给主机，主机若空闲则会接着返回一个40 ms的低电平响应告诉分机可以发码，若主机不空闲则会等到空闲时再给予分机响应。当分机收到发码允许信号后，如图5所示，会发送时长为5 ms的100 kHz加时长为15 ms的高电平组成的“1”信号，或者时长为15 ms的100 kHz加时长为5 ms的高电平组成的“0”信号组成的一串码，这串码中包含分机发送给主机的教室状态信息和分机编号以及最后的校验位。

4　结　论

本文给出了基于单片机控制的教室智能管理系统设计，并且采用直流载波技术实现控制信号在系统主机与分机之间的传输，重点介绍了直流载波通信的硬件电路实现及其与电源电路的结合方式，以及主机分机间通信协议的设置。实验证明，直流载波通信可以满足通信需求，减除了原本所需通信线，进一步简化了系统，做到了实时控制，可靠地完成了数据的远程传输，抗干扰能力较强，该系统具有很好的推广前景。

［1］戴杰.基于单片机的节能调光控制器 ［J］.电脑知识与技术，2008（35）:2258-2259.

［2］赵景波，王臣业.Protel 99SE电路设计基础与工程范例［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［3］徐超群，高明煌.低压电力载波通信技术在城市路灯远程智能监控中的应用［J］.电讯技术，2002（8）:50-53.

［4］高伟.基于电力载波技术的LED路灯监控系统研制 ［D］.杭州:浙江大学，2012:22-23.

［5］陈建智，曹 勇.基于电力线载波通信技术的高校教学楼智能照明控制系统［J］.辽宁工业大学学报:自然科学版，2013 （6）：159-164.

［6］胡郑华，宋庆国，于 澎.用于直流供电LED路灯的载波通信控制系统设计［J］.空军预警学院学报，2014（6）：195-198.

［7］杨刚等.电力线通信技术［M］.北京：电子工业出版社，2011.

Design of DC carrier communication in intelligent classroom management system based on MCU control

WANG Liang，FAN De-hui
（Qingdao Technical College，Qingdao 266555，China）

As for intelligent controlling in classrooms of teaching buildings，the DC carrier communication technology based on MCU control was proposed.The realization of each classroom's intelligent controlling was mainly described，as well as the achievement of the communication between the various classrooms and the main controlling rooms based upon the design of the DC carrier communication technology.The experimental results show that the system not only realizes the purpose of intelligent control，but also implements the stability of the communication to be improved.

DC carrier communication technology；ciassroom management；intelligent control；MCU control

TN913.6

A

1674－6236（2016）16-0161-03

2015-08-31稿件编号：201508174

青岛职业技术学院应用技术研究课题（11-A-4）

王 靓（1979—），女，山东济宁人，硕士，副教授。研究方向：数字系统设计。