【正文】 ............... 39 致 謝 ............................................................................................................................. 40 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 41 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 選題背景 國(guó)內(nèi)用電緊缺與“節(jié)約型社會(huì)”的提出 進(jìn)入二十一世紀(jì)能源與環(huán)境的問(wèn)題越來(lái)越受到 各國(guó)家的重視。而電力 正因?yàn)槠淝鍧崱⒏咝?、方便傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青睞。 雖然近年來(lái)，我國(guó)的電力建設(shè)取得了很大發(fā)展，但是我國(guó)現(xiàn)在依然面臨著電力供應(yīng)不足與能源短缺問(wèn)題。拉閘限電、錯(cuò)峰用電 的新聞比比皆 是，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較迅速的長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)缺電已經(jīng)常態(tài)化了。 當(dāng)前高校教室 照明的主要控制方法與電力 的浪費(fèi) 高校 教室 的 照明用電占到了整個(gè)用電量的 65%75%[1],其實(shí)這個(gè)比例完全可以降低，就看照明控制的效果。第二種，由專(zhuān)人負(fù)責(zé)照明的開(kāi)關(guān)。第一種方法電力浪費(fèi)最為嚴(yán)重 ，由于學(xué)生的節(jié)電意識(shí) 不同導(dǎo)致了自習(xí)室常常出現(xiàn)這種情況，人已經(jīng)都走完了但教室的燈都還亮著或者是一個(gè)教室中明明只有一兩個(gè)同學(xué)在學(xué)習(xí)但是卻把所有的燈都打開(kāi)了，白天依然存在著嚴(yán)重的電力浪費(fèi)現(xiàn)象，白天光照度充足但還是有相當(dāng)一部分教室的燈是開(kāi)著的。第三種方法在節(jié)能方面做出了表率但是還不夠只是在樓道和洗手間實(shí)現(xiàn) 了節(jié)能的功能應(yīng)該最大化地發(fā)揮第三種方法。 采用 DyNet 網(wǎng)絡(luò)連接 ,DyNet 是一個(gè)分布式智能化網(wǎng)絡(luò) ,使用 RS485 通訊協(xié)議 。 用戶(hù)利用 控制面板按鍵選擇一個(gè)預(yù)置場(chǎng)景是一種最簡(jiǎn)單的控制方式 。利 用時(shí)鐘控制器也是一種常見(jiàn)的照明控制方式。 2. CBus 智能照明控制系統(tǒng) CBus 系統(tǒng)是 1994 年由澳大利亞奇勝電氣公司開(kāi)發(fā)的 ,現(xiàn)已廣泛用于很多國(guó)家和地區(qū) 。 也可用于消防等系統(tǒng)中的聯(lián)動(dòng)控制 ,系統(tǒng)所有的單元器件 (除電源外 )均內(nèi)置微處理器和存儲(chǔ)單元 ,由一對(duì)信號(hào)線(xiàn) (雙絞線(xiàn) )連接成網(wǎng)絡(luò) 。 輸入單元通過(guò)群組地址和輸出組件建立對(duì)應(yīng)聯(lián)系 。 控制方式包括場(chǎng)景控制 、 定時(shí)控制 、 紅外線(xiàn)傳感器控制 、 就地控制 、 集中開(kāi)關(guān)控制和集中調(diào)光控制 、 群組組合控制 、 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)及廣域控制 。 它是典型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng) ,每個(gè)元件就是一個(gè)節(jié)點(diǎn) ,這些節(jié)點(diǎn)連接在一根 2 芯雙絞線(xiàn)介質(zhì)的總線(xiàn)上 ,不分主從隸屬關(guān)系實(shí)現(xiàn)相互之間的通訊從而實(shí)現(xiàn)控制和被控制 [13]。教學(xué)樓的智能照明系統(tǒng)控制系統(tǒng)符合現(xiàn)今“建設(shè)節(jié)約型社會(huì)”的大形勢(shì)，能在一定程度上減輕用電緊張的問(wèn)題，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展 貢獻(xiàn)一份力量。 節(jié)約電力資源，降低成本：采用智能照明控制系統(tǒng)，能降低照明設(shè)備的電力消耗，節(jié)約電能，減少學(xué)校電費(fèi)開(kāi)支，降低運(yùn)營(yíng)成本。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 本論文在分析智能照明控制系統(tǒng) 的發(fā)展背景和 目前國(guó)內(nèi)幾種常見(jiàn)的照明控制系統(tǒng) 基礎(chǔ)之上，提出了應(yīng)用于大學(xué)教學(xué)樓的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并且設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制系統(tǒng)方便管理，和現(xiàn)場(chǎng)控制的無(wú)線(xiàn)模塊并且將無(wú)線(xiàn)模塊 事先進(jìn)行場(chǎng)景化 。論文共分為五個(gè)章節(jié)來(lái)闡述智能照明控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，具體內(nèi)容如下： 第 1 章 主要研究了智能照明 的發(fā)展背景，和現(xiàn)在主要的幾種照明控制系統(tǒng)。 第 2 章 首先，簡(jiǎn)述一下整個(gè)智能照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架和總體的設(shè)計(jì)思路，然后，再具體地分析上課教室、自習(xí)教室、走廊與洗手間的設(shè)計(jì)框架與設(shè)計(jì)思路。 第 3 章 圍繞第二章所需要實(shí)現(xiàn)的功能 對(duì)照明控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)與布局，包括聲控模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)光模塊，重點(diǎn)是研究光照度傳感器和人體感應(yīng)器的西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 設(shè)計(jì)與布局。包括上位機(jī)各個(gè)按鈕所要實(shí)現(xiàn)功能的程序編寫(xiě)、 光照度傳 感器和人體感應(yīng)傳感器相互配合的使用的程序編寫(xiě)、無(wú)線(xiàn)場(chǎng)景化接受模塊與發(fā)射模塊的程序編寫(xiě)，還有遠(yuǎn)程 集成控制的實(shí)現(xiàn)。并總結(jié)全文的研究工作和在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)，指出系統(tǒng)還需要完善的部分。充分地利用自然光找到自然光與燈具開(kāi)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。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(chǎng)景化。智能照明控制系統(tǒng)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 21。以太網(wǎng)絡(luò)使用 CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)）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(lèi)型的電纜上 。 所以很難得到在其他大領(lǐng)域的應(yīng)用。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(cè)協(xié)議，因此它本身沒(méi)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。 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(duì)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 。 利用 CAN 總線(xiàn)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(hào)檢測(cè)模塊 都 采用 CAN 總線(xiàn)方式連接， CAN 總線(xiàn)是 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。 CAN 總線(xiàn)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]。 （ 2）將 CAN 總線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)信息，按對(duì)實(shí)時(shí)性要求的緊急程度，分成不同的優(yōu)先級(jí)，最高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可在最多 134181。 （ 3）采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)、逐位仲裁的非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)。 （ 5）設(shè)有出錯(cuò)檢測(cè)、標(biāo)定和自檢的強(qiáng)力措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。 電源模塊主要給 CPU模塊和 CAN總線(xiàn)功能模塊供電，該模塊的輸 入電源是市電AC220V，輸 出電源為 DC24V。與上位機(jī)連 接通過(guò) 10M/100Mbps以太網(wǎng)。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。它還可以直接通過(guò)面板上的按鍵來(lái)控制繼電器的輸出狀態(tài)和模擬量的輸 出 ,需軟件支持。 XI308為建筑照明控 制系統(tǒng)中的綜合檢測(cè)模塊，作為控制 系統(tǒng)的組成單元。 可聯(lián)動(dòng)消防火災(zāi) 報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)消防報(bào)警系統(tǒng)所提供的無(wú)源干接點(diǎn)區(qū)域信號(hào)，切換照明系統(tǒng)。但是上課教室還是有要進(jìn)行改進(jìn)與設(shè)計(jì)的地方。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(kāi)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)上完課后需要最簡(jiǎn)便地將所有燈都熄滅。 手持遙控器 發(fā)射 315MHz頻段 的無(wú)線(xiàn)信號(hào)與無(wú)線(xiàn)接收模塊通信，在不同的按鍵下編寫(xiě)不同的功能， 可以通過(guò)遙控器按鍵實(shí)現(xiàn)照明控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)、調(diào)光及情景控制。 下圖 22是無(wú)線(xiàn)控制面板和 教室中燈 的 排放情況 。 針對(duì)上述問(wèn)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(kāi)燈的時(shí)間和杜絕白天開(kāi)燈的情況，采用光照度傳感器來(lái)確定什么時(shí)候開(kāi)燈，并且同時(shí)確定使之達(dá)到什么樣的亮度。 2. 為了杜絕 高校中出現(xiàn)的 “長(zhǎng)明燈”和“無(wú)人亮燈”等現(xiàn)象，減少因未能及時(shí)關(guān)燈所帶來(lái)的電能損耗，采用人體感應(yīng)來(lái)確定教室中有沒(méi)有人。實(shí)現(xiàn)“人來(lái)燈開(kāi)，人走燈滅”的智能控制方式。當(dāng)光照度不足時(shí)并不會(huì)立即打開(kāi)燈，只有人體感應(yīng)器檢測(cè)到了對(duì)應(yīng)的燈下有人了之后才打開(kāi)相應(yīng)的燈，并根據(jù)光照度傳感器的具體數(shù)據(jù)來(lái)最終確定所打開(kāi)燈的亮度是多少。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 。 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(kāi)，在光照度不足的情況之下并且有人經(jīng)過(guò)或者進(jìn)入才將燈打開(kāi)并且 在人員離開(kāi)后自動(dòng)再將燈關(guān)閉。工作流程圖如圖 24所示： 開(kāi) 始數(shù) 據(jù) 采 集是 否 有 人是 否 低 光 照 度打 開(kāi) 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 。其系統(tǒng)軟件由 VisualBasic語(yǔ)言開(kāi)發(fā) ,后臺(tái)連接 Access數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù) 。 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(duì)教室中的燈進(jìn)行智能照明控制， 必須借助傳感器來(lái)檢測(cè)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(lái)確定燈具的開(kāi)關(guān)時(shí)刻及開(kāi)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(jué)舒適度 。 室內(nèi)光照度采集 1. 光照度探測(cè)研究 （ 1） 光源在單位時(shí)間內(nèi)向周?chē)臻g輻射出去的，并能使人眼產(chǎn)生光感的能量，稱(chēng)為光通量，以符號(hào) φ表示，單位為 lm（流明）。人們比較幾種波長(zhǎng)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(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光與波長(zhǎng)較短的紫光都暗的多，因此不能直接以光源的輻射功率來(lái)衡量光能量，而要采用以人眼 對(duì)光的感覺(jué)量為基準(zhǔn)的基本量 — 光通量來(lái)衡量。 表 31 常用燈源的光通量 光源種類(lèi) 光通量 /lm 光源種類(lèi) 光通量 /lm 太陽(yáng) 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 。 光通量的數(shù)量越大 ,即表示該發(fā)光體所發(fā)出的可見(jiàn)光就越強(qiáng) 。 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 。單位為勒克斯 (流明 /單位面積 ),符號(hào)為lx,1lx=1lm/m2 。 1lx相當(dāng)于 1m2被照面上接收到的光通量為 1lm照度。在冬季的晴天，地面照度約為 2020lx。對(duì)于不同的工作場(chǎng)所，根據(jù)工作特點(diǎn)和保護(hù) 視力的要求，國(guó)家規(guī)定了相應(yīng)的照度值。 表 32 學(xué)校建筑照明的照度標(biāo)準(zhǔn) 房間或場(chǎng)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(píng)價(jià)， Ra為顯色指數(shù)。 2 .光照度傳感器的選擇 為了探測(cè) 室外的光照度來(lái)確定天是否黑暗要用到光照度傳感器。光照度傳感器按其工作原理通常分為三類(lèi)： 一是外光電效應(yīng)元件 , 此類(lèi)光電轉(zhuǎn)換元件有光電管、光電倍增管等。三是光生伏特效應(yīng)元件 , 此類(lèi)光電轉(zhuǎn)換元件有光電池、光電晶體管等 。 因?yàn)?本課題 是要探測(cè) 室外的光照度所以選用室外型的光照度傳感器。室外型 LC1112傳感器外形如圖 31所示： 圖 31 室外型 LC1112光照度傳感器 室外型 LC1112傳感器 的技術(shù)指標(biāo)如表 33所示 。020,000Lux?？蛇x 6 測(cè)量精度 177。 這種布局方法雖然可以近距離的探測(cè)到室內(nèi)照度的變化 ,但 因?yàn)楣庹斩葌鞲衅鹘邮盏牟粌H是自然光照 ,也包括室內(nèi)照明燈具自身的光線(xiàn) ,所以探測(cè)到的是自然光和人工光的混合光 。 如此反復(fù) ,造成室內(nèi)的燈具的忽亮忽暗 ,不僅影響室內(nèi)人員的正?；顒?dòng) ,而且降低了合理利用自然光實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果 。根據(jù)教學(xué)樓的實(shí)際情況可知，每個(gè)自習(xí)教室只有一邊有窗口，所以自然采光都是通過(guò)此面的窗戶(hù)采光。因此，將室外光照度傳感器安裝在窗戶(hù)的上邊沿并且無(wú)遮擋物，這樣就避免了上面室內(nèi)傳感器所遇到的問(wèn)題。比如，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知在窗外的傳感器光照度為 200Lux時(shí)，測(cè)得室內(nèi)的實(shí)際光照度為 170Lux,這樣我們就大致的了解到了室外與室內(nèi)的差距，這樣在室外采得 200Lux時(shí)軟件上控制燈亮度時(shí)按 170Lux來(lái)處理 [910]。 光 照 度 傳 感 器光 照 度 傳 感 器光 照 度 傳 感 器光 照 度 傳 感 器 圖 32 室外型光照度傳感器的安裝布局 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 室內(nèi)人體感應(yīng) 室內(nèi) 占用情況是決定 照明燈具的開(kāi)關(guān)及位置的重要依據(jù) ，即需要檢測(cè)一個(gè)房間內(nèi)的被占用情況 。所以需要用人體感應(yīng)器來(lái)確定室內(nèi)的占用情況。m 的紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集在紅外感應(yīng)源上，紅外感應(yīng)元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電平衡，向外釋放電荷，并經(jīng)由后續(xù)電路檢測(cè)處理后產(chǎn)生探測(cè)信號(hào) 。根據(jù) 普朗克定律，黑色的單色輻射強(qiáng)度 W? 隨波長(zhǎng) λ 和熱力學(xué)溫度 T而變化的關(guān)系式為： 2 /51= CTW C e ?? ? ? （ ） 1（ 1 ） (31) 其中：