采用CAN/LIN總線(xiàn)的教學(xué)樓智能照明系統
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智能照明系統在智能辦公大廈、現代化建筑中的研究運用較多，而對于教學(xué)樓的研究運用卻很少，導致傳統的照明系統目前仍被廣泛使用，其基本結構是動(dòng)力線(xiàn)根據設備控制需求進(jìn)行分線(xiàn)，用手動(dòng)開(kāi)關(guān)直接控制電源，不存在控制信息流的概念。本文探討基于CAN/LIN總線(xiàn)的智能照明系統，實(shí)現對整個(gè)系統的集中管理，降低系統的管理費用。采用可調光電子鎮流器恒照度控制，充分利用日光，真正實(shí)現了合理節能，為學(xué)生營(yíng)造舒適的學(xué)習環(huán)境;燈具軟啟動(dòng)，延長(cháng)使用壽命，減少了系統的運行費用。
CAN網(wǎng)絡(luò )(Controller Area Network)是一種架構開(kāi)放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議。CAN推出之初是用于汽車(chē)內部測量和執行部件之間的數據通信。能夠以較低的成本、較高的實(shí)時(shí)處理能力在強電磁干擾環(huán)境下可靠地工作。LIN 總線(xiàn)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò )，目標是為現有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )(例如CAN總線(xiàn))提供輔助功能。在不需要類(lèi)似CAN的高端汽車(chē)總線(xiàn)的帶寬和多功能的場(chǎng)合，使用 LIN總線(xiàn)可以大大節省成本。在LIN實(shí)現的系統中，通常將模擬信號量用數字信號量替換，這將使總線(xiàn)性能得到優(yōu)化。因此，CAN/LIN總線(xiàn)很快由最初的汽車(chē)行業(yè)擴展到工業(yè)控制領(lǐng)域。
2、系統設計
本系統干線(xiàn)采用CAN總線(xiàn)，支線(xiàn)采用LIN總線(xiàn)。CAN總線(xiàn)具有很高的可靠性，高速、長(cháng)距離傳輸，開(kāi)發(fā)系統廉價(jià)，其特有的多主傳送方式，可以使各個(gè)分機(節點(diǎn))根據需要自主發(fā)送數據，無(wú)需主機不停地輪詢(xún)，節省網(wǎng)絡(luò )上的數據流量，傳輸效能高。CAN總線(xiàn)的上述性能都已固化在CAN總線(xiàn)處理芯片之中，使用極為方便。LIN總線(xiàn)基于通用UART接口，幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件，網(wǎng)絡(luò )采用極少的信號線(xiàn)(一根12V信號總線(xiàn)和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準的節點(diǎn)同步時(shí)鐘線(xiàn))，設備硬件成本低。
數字化可調光電子鎮流器智能照明系統實(shí)現的功能:
(1)分散控制:將控制功能分散給系統每一個(gè)子控制器;
(2)全自動(dòng)調光:使照明系統工作在全自動(dòng)狀態(tài),系統可設定若干個(gè)狀態(tài)，這些狀態(tài)會(huì )按預先設定的時(shí)間相互自動(dòng)切換,并將照度自動(dòng)調整至最佳的工作水平。
(3)在每個(gè)控制終端面板上均可觀(guān)察到本單元燈的亮滅狀態(tài);
(4)自鎖:若停電,來(lái)電后所有的燈均保持熄滅狀態(tài);
(5)自動(dòng)控制與人為干預相結合，現場(chǎng)設置開(kāi)關(guān),方便操作;
(6)可在監控室實(shí)現對整個(gè)照明系統的監測管理;
2.1 硬件設計
CAN/LIN總線(xiàn)控制系統示意參見(jiàn)圖1:
CAN網(wǎng)絡(luò )(Controller Area Network)是一種架構開(kāi)放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議。CAN推出之初是用于汽車(chē)內部測量和執行部件之間的數據通信。能夠以較低的成本、較高的實(shí)時(shí)處理能力在強電磁干擾環(huán)境下可靠地工作。LIN 總線(xiàn)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò )，目標是為現有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )(例如CAN總線(xiàn))提供輔助功能。在不需要類(lèi)似CAN的高端汽車(chē)總線(xiàn)的帶寬和多功能的場(chǎng)合，使用 LIN總線(xiàn)可以大大節省成本。在LIN實(shí)現的系統中，通常將模擬信號量用數字信號量替換，這將使總線(xiàn)性能得到優(yōu)化。因此，CAN/LIN總線(xiàn)很快由最初的汽車(chē)行業(yè)擴展到工業(yè)控制領(lǐng)域。
2、系統設計
本系統干線(xiàn)采用CAN總線(xiàn)，支線(xiàn)采用LIN總線(xiàn)。CAN總線(xiàn)具有很高的可靠性，高速、長(cháng)距離傳輸，開(kāi)發(fā)系統廉價(jià)，其特有的多主傳送方式，可以使各個(gè)分機(節點(diǎn))根據需要自主發(fā)送數據，無(wú)需主機不停地輪詢(xún)，節省網(wǎng)絡(luò )上的數據流量，傳輸效能高。CAN總線(xiàn)的上述性能都已固化在CAN總線(xiàn)處理芯片之中，使用極為方便。LIN總線(xiàn)基于通用UART接口，幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件，網(wǎng)絡(luò )采用極少的信號線(xiàn)(一根12V信號總線(xiàn)和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準的節點(diǎn)同步時(shí)鐘線(xiàn))，設備硬件成本低。
數字化可調光電子鎮流器智能照明系統實(shí)現的功能:
(1)分散控制:將控制功能分散給系統每一個(gè)子控制器;
(2)全自動(dòng)調光:使照明系統工作在全自動(dòng)狀態(tài),系統可設定若干個(gè)狀態(tài)，這些狀態(tài)會(huì )按預先設定的時(shí)間相互自動(dòng)切換,并將照度自動(dòng)調整至最佳的工作水平。
(3)在每個(gè)控制終端面板上均可觀(guān)察到本單元燈的亮滅狀態(tài);
(4)自鎖:若停電,來(lái)電后所有的燈均保持熄滅狀態(tài);
(5)自動(dòng)控制與人為干預相結合，現場(chǎng)設置開(kāi)關(guān),方便操作;
(6)可在監控室實(shí)現對整個(gè)照明系統的監測管理;
2.1 硬件設計
CAN/LIN總線(xiàn)控制系統示意參見(jiàn)圖1:
圖1 CAN/LIN總線(xiàn)控制示意圖
(1) 系統單元:PC機(帶CAN接口卡)、系統電源、每層樓的子監控單元(51單片機8LPC902)、各教室終端控制器(51單片機8LPC902)。PC 機作為主控制器，向各個(gè)子單元發(fā)布和接受信息，對整個(gè)照明系統進(jìn)行監控，并負責恒照度控制的邏輯運算。子監控單元主要負責通訊轉接，在其與CAN總線(xiàn)接口處加CAN/LIN總線(xiàn)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據轉換。
(1) 系統單元:PC機(帶CAN接口卡)、系統電源、每層樓的子監控單元(51單片機8LPC902)、各教室終端控制器(51單片機8LPC902)。PC 機作為主控制器，向各個(gè)子單元發(fā)布和接受信息，對整個(gè)照明系統進(jìn)行監控，并負責恒照度控制的邏輯運算。子監控單元主要負責通訊轉接，在其與CAN總線(xiàn)接口處加CAN/LIN總線(xiàn)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據轉換。
(2) 輸入單元:單／雙／四鍵開(kāi)關(guān)、室外／室內紅外線(xiàn)感應器、照度傳感器、光電感應器、輔助輸入單元，它們均作為教室控制器的的信號源，LIN總線(xiàn)上的終端控制器地址編號通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設定，其主要負責信號采集和存儲及響應總線(xiàn)要求發(fā)布信息，同時(shí)，對采集的信號進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷，以決定各輸出單元的工作狀態(tài)。終端控制單片機采用LIN收發(fā)器來(lái)接受發(fā)布信號，內部信號采集采用循環(huán)掃描，時(shí)實(shí)更新的方法。
(3) 輸出單元:單／雙／四／十二路等繼電器、四／八路調光器、四路模擬輸出單元。
(4) 教學(xué)樓樓道作為一個(gè)終端子單元開(kāi)對待，利用紅外線(xiàn)傳感器作為輸入，調用主控機最近一次照度計算值來(lái)判斷，不單獨安裝照度傳感器。
2.2 軟件設計
LIN總線(xiàn)上單片機的控制程序框圖(圖2所示):
2.2 軟件設計
LIN總線(xiàn)上單片機的控制程序框圖(圖2所示):
圖2 終端控制器程序框圖
(1) 智能照明系統中的恒照度控制
使用光電感應器測得室外陽(yáng)光的垂直照度后，輸入一個(gè)基于遺傳算法的RI模型,估計出室內的桌面照度,再與設定值比較，來(lái)控制照明的開(kāi)關(guān)，這樣可以最大限度地利用自然光，達到節能的目的，也可以提供一個(gè)不受季節與外部環(huán)境影響的相對穩定的視覺(jué)環(huán)境。該模型與使用室內照度傳感器相比，其優(yōu)點(diǎn)是避免當人工照明打開(kāi)情況下，判斷接下來(lái)的一段時(shí)間里，自然光是否足以滿(mǎn)足照度的要求，是否關(guān)閉人工照明的困難。一般來(lái)講,越靠近窗，自然光照度越高，人工照明提供的照度就越低，但合成照度應維持在設定照度值，如圖3所示龐大群體的活動(dòng)場(chǎng)所—教學(xué)樓，開(kāi)發(fā)人性化的。
圖3 室內光照示意圖
(2) 軟啟動(dòng)
燈具采用軟啟動(dòng)器，開(kāi)燈時(shí)，燈光由暗逐漸變亮，避免亮度的突然變化刺激人眼,給人眼一個(gè)緩沖時(shí)間,保護學(xué)生眼睛，避免大電流和高溫的突變對燈絲的沖擊,保護燈泡,延長(cháng)使用壽命。
(3) 主控機管理程序
PC機管理程序在Windows2000操作系統下，利用Visual C++開(kāi)發(fā)，包括系統監控、通訊管理、數據運算、命令輸出以及鍵盤(pán)顯示等模塊。系統運行時(shí)，各教室燈具的工作狀態(tài)以圖形的形式顯示在PC機的顯示器上，各層顯示圖象間可互相切換，形象直觀(guān)，操作方便。
3 結束語(yǔ)
3 結束語(yǔ)
該智能照明系統改善了教室的照明環(huán)境，傳統照明系統中,配有傳統鎮流器的日光燈以100Hz的頻率閃動(dòng),且啟輝時(shí)的亮度不穩定,而智能照明系統中的可調光電子鎮流器則工作在很高頻率(40~70kHz),克服了頻閃，利于保護學(xué)生視力,提高學(xué)習效率。該系統的自動(dòng)調光,充分利用自然光,使室內的照度始終保持在恒定值附近，改善燈具的工作狀態(tài)。光源減弱與壽命的關(guān)系如附表[6]。
附表 光源減弱與壽命的關(guān)系
附表 光源減弱與壽命的關(guān)系
充分利用天然光，節約照明用電，智能調光可以大大提高燈具使用壽命。本系統紅外線(xiàn)監測功能，避免“長(cháng)明燈”，減少了人為浪費，降低運行維護費用，帶來(lái)可觀(guān)的投資回報。持續發(fā)展的需要,有著(zhù)十分重要的意義;同時(shí)具有巨大的生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟效益。針對學(xué)生這個(gè)智能照明系統也顯得尤為必要。
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