【文章內(nèi)容簡介】 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 第 2 章 智能照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分析 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 考慮教室的智能照明節(jié)能，改進(jìn)照明系統(tǒng)的運(yùn)行，主要應(yīng)關(guān)注兩個(gè)方面，合理利用自然光作為輔助光源和根據(jù)教室內(nèi)人數(shù)有效開啟燈具的數(shù)量，這樣能夠在保證照明質(zhì)量 的同時(shí)有效避免能源的浪費(fèi) [3]。充分地利用自然光找到自然光與燈具開啟的最佳平衡狀態(tài)能夠減少能源的損耗并且也保證了采光質(zhì)量不會(huì)受到影響。 根據(jù)大學(xué)教室的實(shí)際使用類型有兩種，一種是學(xué)生的自習(xí)教室，另一種是上課的教室。因此要設(shè)計(jì)一種兼顧了個(gè)別燈具的單獨(dú)調(diào)光功能也要實(shí)現(xiàn)集中的調(diào)光與場景化。智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)該包括 CPU 控制模塊、開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊、信號檢測模塊、無線接收模塊、無線控制面板、擴(kuò)展通訊模塊、房間控 制模塊、智能傳感器、系統(tǒng)編程軟件 和計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件等部件組成。智能照明控制系統(tǒng)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 21。 其 他 控 制 區(qū)域電 源 模 塊 C P U調(diào) 光 驅(qū) 動(dòng) 模 塊調(diào) 光 驅(qū) 動(dòng) 模 塊信 號 檢 測 模 塊可 控 硅射 燈 回 路 1 射 燈 回 路 8? ?光 照 度 傳 感 器可 控 硅無 線 接收 模 塊集 成 平 臺(tái)運(yùn) 行 管 理 上 位 機(jī)以 太 網(wǎng) T C P / I PC A N 總 線圖 21 智能照明控制系統(tǒng)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域化控制 以太網(wǎng) (Ether)指的是由 Xerox 公司創(chuàng)建并由 Xerox、 Intel 和 DEC 公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用 CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，并以 10M/S 的速率運(yùn)行在多種西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 類型的電纜上 。不論是 無論是 10M、 100Mbit/s 還是吉比特以太網(wǎng)，由于信噪比、碰撞檢測、可用帶寬等原因傳輸距離都 是 100m。 所以很難得到在其他大領(lǐng)域的應(yīng)用。為了適應(yīng)高帶寬的要求和更長傳輸距離的要求 ,10GE 對 原來的以太網(wǎng)技術(shù)也做了很大的改進(jìn)，主要表現(xiàn)在物理層實(shí)現(xiàn)方式、幀格式和 MAC 的工作速率及適配策略方面。10GE 只在光纖上工作，并只能在全雙工模式下操作，這意味著不必使用沖突探測協(xié)議，因此它本身沒有距離限制 ,使局域網(wǎng)的傳輸距離最大達(dá)到 了 40KM，使得以太網(wǎng)的更大的應(yīng)用空間。 網(wǎng)絡(luò)化的控制方式可以讓管理員在運(yùn)行管理 上位機(jī)實(shí)時(shí) 地 得到控制現(xiàn)場的信息 ,并以此 作為控制的依據(jù) 。 從教學(xué)樓的整體出發(fā) ,同時(shí)也可以依據(jù)教室用途及教學(xué)樓的整體環(huán)境 ,比如 :可以根據(jù)教學(xué)樓里正常上課 、 自習(xí) 、 集中考試和假期等不同階段 ,對所有的照明燈具采取綜合調(diào)控 ,實(shí)現(xiàn)較好的照明控制和節(jié)能效果 。這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)教學(xué)樓 的照明都可以通過一臺(tái) 運(yùn)行控制管理 計(jì)算機(jī)控制。 利用 CAN 總線將各個(gè)智能照明控制模塊連接 各個(gè)樓層的控制模塊如： 電源模塊、 CPU 模塊、調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊、和信號檢測模塊 都 采用 CAN 總線方式連接， CAN 總線是 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。由于 CAN 數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、家用電器及傳感器 等領(lǐng)域。 CAN 總線能夠以較低的成本、較高的實(shí)時(shí)處理能力在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下工作，已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一 [11]。 CAN 總線的主要技術(shù)特點(diǎn)如下： （ 1） CAN 總線上任意節(jié)點(diǎn)均在任意時(shí)刻主動(dòng)地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信，節(jié)點(diǎn)不分主從，通信方式靈活 [12]。 （ 2）將 CAN 總線上的節(jié)點(diǎn)信息，按對實(shí)時(shí)性要求的緊急程度，分成不同的優(yōu)先級，最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)可在最多 134181。s 內(nèi)得到傳輸，以滿足控制的通信需要 [13]。 （ 3）采用載波監(jiān)聽多路訪問、逐位仲裁的非破壞性總線仲裁技術(shù)。 （ 4）只需通過報(bào)文濾波便可實(shí) 現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一對多等幾種方式傳輸數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。 （ 5）設(shè)有出錯(cuò)檢測、標(biāo)定和自檢的強(qiáng)力措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。 （ 6） CAN 直接通信距離最遠(yuǎn)就可達(dá) 10km（速率小于 5Kb/s），最高通信速率為 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 1Mb/s(此時(shí)通信距離為 40m)。 電源模塊主要給 CPU模塊和 CAN總線功能模塊供電，該模塊的輸 入電源是市電AC220V，輸 出電源為 DC24V。 LC3131模塊是智能照明控制 系統(tǒng)的 CPU模塊，可以通過 CAN總線使用 CANopen協(xié)議（主要采用 DS401規(guī)范 ）下掛 14個(gè) I/O模塊。與上位機(jī)連 接通過 10M/100Mbps以太網(wǎng)。另外，該模塊還 帶有 1個(gè) RS232接口 、 1個(gè) RS485接口（預(yù)留），可以支持 Modbus協(xié)議和自由協(xié)議， 1個(gè) CAN總 線接口，用于 跟 I/O模塊通訊。本模塊可以跟其他不 同廠商采用 CANopen協(xié)議的 I/O模塊通訊。 調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊LA3048開關(guān) /調(diào)光驅(qū)動(dòng) 器用 于控制 帶模擬調(diào)光接口的電子鎮(zhèn)流器，接收通過 CAN總線傳來的數(shù)據(jù)，它能控制繼電器的輸出狀態(tài)和模擬量的輸出，從而達(dá)到調(diào)光和控制開關(guān)的目的。它還可以直接通過面板上的按鍵來控制繼電器的輸出狀態(tài)和模擬量的輸 出 ,需軟件支持。信號檢測模塊用 于 將外部 照度檢測和 移動(dòng)偵測 等傳感器信號接入， 從而達(dá)到根據(jù)外部事件進(jìn)行照明控制 和調(diào)節(jié)的目的。 XI308為建筑照明控 制系統(tǒng)中的綜合檢測模塊，作為控制 系統(tǒng)的組成單元。其具有檢測 010V電壓信號和無源開關(guān)量信號，并 將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過 CAN總線傳送給 CPU及其它模塊。 可聯(lián)動(dòng)消防火災(zāi) 報(bào)警系統(tǒng)，通過消防報(bào)警系統(tǒng)所提供的無源干接點(diǎn)區(qū)域信號，切換照明系統(tǒng)。 上課教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 上課教室因?yàn)槭褂玫臅r(shí)間都比較固定，并且燈具的開關(guān)都比較及時(shí)所以不需要進(jìn)行聲光自動(dòng)控制。但是上課教室還是有要進(jìn)行改進(jìn)與設(shè)計(jì)的地方。因?yàn)槊看紊?課的人數(shù)不同、時(shí)間不同所以燈具開關(guān)多少和亮度都不同，還有在上課的過程中燈也需要有不同的變化模式，如在放 PPT時(shí)應(yīng)該將講臺(tái)的燈熄滅其他各排的燈由講臺(tái)往后依次降低亮度，并且還可以根據(jù)需要成比例地加減亮度。當(dāng)上課人數(shù)比較多時(shí)就要求教室中的燈具全部打開并根據(jù)實(shí)際自然光的光照度增加或降低燈具的亮度。當(dāng)上課人數(shù)較少時(shí)就只打開前幾排的燈具降低電力的損耗。當(dāng)上完課后需要最簡便地將所有燈都熄滅。將以上幾種情況分別作為人多模式、人少模式、放 PPT模式、增減亮模式 和一鍵開關(guān)模式，作為場景固化在無線模塊中這樣上課時(shí)老師只需要通過遙 控器就可以實(shí)現(xiàn)不同場景的轉(zhuǎn)換而不需要老師來回地跑來控制教室中的燈具。 手持遙控器 發(fā)射 315MHz頻段 的無線信號與無線接收模塊通信，在不同的按鍵下編寫不同的功能， 可以通過遙控器按鍵實(shí)現(xiàn)照明控制系統(tǒng)的開關(guān)、調(diào)光及情景控制。 無線接受器接收 315MHz頻段的無線遙控?cái)?shù)據(jù)，并將已經(jīng)學(xué)習(xí)記憶過的遙控?cái)?shù)據(jù)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 通過 CANbus CANopen協(xié)議發(fā)送 到調(diào)光模塊 ，用以控制分布式智能照明控制系統(tǒng)中負(fù)載的開關(guān)和調(diào)光。 下圖 22是無線控制面板和 教室中燈 的 排放情況 。 講臺(tái)處燈具講臺(tái)一 鍵 開 關(guān) P P T 模 式人 少 模 式 人 多 模 式增 加 亮 度 降 低 亮 度無 線 控 制 面 板圖 22 無線控制面板和教室中燈得排放位置情況 自習(xí)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 自習(xí)教室是高校教室照明浪費(fèi)最為嚴(yán)重的地方，常常出現(xiàn)人走了燈還在亮，只有幾個(gè)人在上自習(xí)卻把所有的燈都打開了，白天燈也照開不誤很少有人自覺地及時(shí)關(guān)燈所以說造成了很大的浪費(fèi)。 針對上述問題，作出了如下的分析與方案設(shè)計(jì)： 1. 為了盡最大的可能性利用自然光的照明時(shí)間，減少開燈的時(shí)間和杜絕白天開燈的情況，采用光照度傳感器來確定什么時(shí)候開燈，并且同時(shí)確定使之達(dá)到什么樣的亮度。即通過編程在不同的光照度之下對應(yīng)著不同的亮度模式。 2. 為了杜絕 高校中出現(xiàn)的 “長明燈”和“無人亮燈”等現(xiàn)象，減少因未能及時(shí)關(guān)燈所帶來的電能損耗，采用人體感應(yīng)來確定教室中有沒有人。當(dāng)教室中有人時(shí)打開燈當(dāng)人員離開教室時(shí)自動(dòng)熄滅燈。實(shí)現(xiàn)“人來燈開，人走燈滅”的智能控制方式。 所以，根據(jù)上面兩條很容易得出這樣的設(shè)計(jì)方案：綜合利用光照度傳感器和人體感應(yīng)。當(dāng)光照度不足時(shí)并不會(huì)立即打開燈，只有人體感應(yīng)器檢測到了對應(yīng)的燈下有人了之后才打開相應(yīng)的燈，并根據(jù)光照度傳感器的具體數(shù)據(jù)來最終確定所打開燈的亮度是多少。其他沒有感 應(yīng)到人的對應(yīng)燈具則不會(huì)打開。自習(xí)室智能照明控制系統(tǒng)流程圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 如下圖 23所示 。 圖 23 自習(xí)室智能照明控制系統(tǒng)流程圖 為了滿足教室控制的多元化，在教室現(xiàn)場也設(shè)置了調(diào)光模塊可以通過按鍵調(diào)節(jié)燈得亮度，同時(shí)也可以通過上位機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 走廊與洗手間系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 走廊和洗手間具有人員出現(xiàn)時(shí)間的不確定性和所需要提供的照明時(shí)間短等特點(diǎn)不適合將燈一直打開，在光照度不足的情況之下并且有人經(jīng)過或者進(jìn)入才將燈打開并且 在人員離開后自動(dòng)再將燈關(guān)閉。采用人體傳感器和光照度傳感器綜合使用 的方法來控制。工作流程圖如圖 24所示： 開 始數(shù) 據(jù) 采 集是 否 有 人是 否 低 光 照 度打 開 燈 并 進(jìn) 行 程 序延 時(shí)NNYY 圖 24 走廊與洗手間 智能照明控制系統(tǒng)流程圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 上位機(jī)監(jiān)控面板 設(shè)計(jì) 上位機(jī)采用 PC機(jī) ,利用 PC機(jī)的 10/100M通訊接口， Modbus/TCP協(xié)議 ,實(shí)現(xiàn)與教室照明控制器的通訊 。 上位機(jī)是整個(gè)教室智能照明控制系統(tǒng)的核心 ,其功能是接收教室控制器所發(fā)送的現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù) ,通過編寫的照明控制策略程序的判斷 ,給出照明控制命令 ,并發(fā)送回教室控制器 ,從而控制照明燈具的開關(guān) 。其系統(tǒng)軟件由 VisualBasic語言開發(fā) ,后臺(tái)連接 Access數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù) 。 通過上位機(jī)的系統(tǒng)管理員還可以遠(yuǎn)程掌握教室現(xiàn)場的光照度 、 室內(nèi)人數(shù) 、 燈具開關(guān)情況等 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 第 3 章 智能照明控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì) 為了對教室中的燈進(jìn)行智能照明控制， 必須借助傳感器來檢測使用環(huán)境中的光照強(qiáng)度和室內(nèi)占用情況等參數(shù) ,來確定燈具的開關(guān)時(shí)刻及開關(guān)位置 ,以便在節(jié)能的同時(shí) ,為使用者提供較好的視覺舒適度 。 所以 ,用于照明控制的數(shù)據(jù)采集模塊主要包括教室內(nèi)光照度采集和室內(nèi)人體感應(yīng)兩部分 。 室內(nèi)光照度采集 1. 光照度探測研究 （ 1） 光源在單位時(shí)間內(nèi)向周圍空間輻射出去的，并能使人眼產(chǎn)生光感的能量，稱為光通量，以符號 φ表示，單位為 lm（流明）。人 眼對不同波長的可見光 具有不同的靈敏度，對黃綠光最敏感。人們比較幾種波長不同而輻射能量相同的光時(shí)，會(huì)感到黃綠光最亮，而波長較長的紅光與波長較短的紫光都暗的多，因此不能直接以光源的輻射功率來衡量光能量，而要采用以人眼 對光的感覺量為基準(zhǔn)的基本量 — 光通量來衡量。常見光源的光通量見表 31。 表 31 常用燈源的光通量 光源種類 光通量 /lm 光源種類 光通量 /lm 太陽 1028 熒光燈 20W 1200 月亮 81016 熒光燈 40W 3300 蠟燭 熒光燈 100W 9000 鹵鎢燈 500 10500 汞燈 250 10500 鈉燈 60W 5000 汞燈 400W 21500 白熾燈 100W 15700 汞燈 700W 39500 白熾燈 1000W 21000 熒光汞燈 400W 21000 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 （ 2） 光照度是指物體表面被照明的程度 。 由發(fā)光體發(fā)出的光能 ,在單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的光能數(shù)量 ,叫光通量 。 光通量的數(shù)量越大 ,即表示該發(fā)光體所發(fā)出的可見光就越強(qiáng) 。 光通量的計(jì)數(shù)單位以流明表示 。 照度為照射到表面一點(diǎn)處的面元上的光通量除以該面元的面積 。 照度的符號為 E(Ev)。單位為勒克斯 (流明 /單位面積 ),符號為lx,1lx=1lm/m2 。 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 : dd E s? φ 其中， φ— 光通量， S— 面積。 1lx相當(dāng)于 1m2被照面上接收到的光通量為 1lm照度。在夏季陽光強(qiáng)烈的中午，地面照度約為 50000lx。在冬季的晴天，地面照度約為 2020lx。而在晴朗的月夜，地面照度約為 。對于不同的工作場所，根據(jù)工作特點(diǎn)和保護(hù) 視力的要求，國家規(guī)定了相應(yīng)的照度值。學(xué)校建筑照明的照度標(biāo)準(zhǔn)值如表 32所示 。 表 32 學(xué)校建筑照明的照度標(biāo)準(zhǔn) 房間或場所 參考平面及其高度 照度標(biāo)準(zhǔn)值（ Lx） UGR Ra 教室 課桌面 300 19 80 實(shí)驗(yàn)室 實(shí)驗(yàn)桌面 300 19 80 美術(shù)室 桌面 500 19 80 多媒體教室 水平面 300 19 80 教室黑板 黑板面 500 80 照度標(biāo)準(zhǔn)值表中的 UGR為統(tǒng)一眩光值評價(jià)， Ra為顯色指數(shù)。其中， Ra值越大，光源的顯色性能越好。 2 .光照度傳感器的選擇 為了探測 室外的光照度來確定天是否黑暗要用到光照度傳感器。光照度傳感器采用光敏探測器，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電