教室智能LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

方凱磊，張 東，孫亞萍

(杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院 信息與機(jī)電工程分院，浙江 杭州 310036)

目前大部分學(xué)校的照明系統(tǒng)均存在電能浪費(fèi)現(xiàn)象，例如，白天照度達(dá)標(biāo)的時(shí)候很多教室內(nèi)的燈仍然全部打開；或者教室內(nèi)只有幾個(gè)人甚至沒人時(shí)，燈仍全部或部分開啟，這些現(xiàn)象造成了學(xué)校電力資源的巨大浪費(fèi)。同時(shí)，現(xiàn)在學(xué)校教室內(nèi)照明普遍采用的是傳統(tǒng)的熒光日光燈，在節(jié)能和環(huán)保方面均存在問題：附加的鎮(zhèn)流器功耗較大，開啟時(shí)需要輔助高壓；日光燈管內(nèi)置的水銀在廢棄時(shí)無法處理，成為污染環(huán)境的公害。

近年來，LED照明作為21世紀(jì)的新型光源發(fā)展迅速，LED具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如保健護(hù)眼、高效節(jié)能、環(huán)保無污染、壽命長以及控制靈活。隨著技術(shù)的發(fā)展，大功率LED燈成本不斷下降，其市場會(huì)有爆炸性的發(fā)展[1]。

本文設(shè)計(jì)了一套教室綠色智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)采用PC機(jī)作為中央控制器，通過LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能管理；下位機(jī)采用PIC16F873A作為微控制器，通過采集各個(gè)教室內(nèi)各處光線強(qiáng)弱來自動(dòng)調(diào)節(jié)教室各點(diǎn)LED燈光亮度；為了減少系統(tǒng)成本，系統(tǒng)采用現(xiàn)成的網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)RS485通信，并利用軟件協(xié)議來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與多個(gè)教室下位機(jī)之間遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)將以杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院5號教學(xué)樓為研究對象，開發(fā)一套綠色智能照明系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綠色智能照明系統(tǒng)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要包括下位機(jī)系統(tǒng) (微控制器電路)的設(shè)計(jì)、上位機(jī)(中央控制器)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及它們之間的通信程序設(shè)計(jì)。該照明系統(tǒng)在每棟教學(xué)樓設(shè)立一個(gè)中央控制站(PC機(jī))作為整個(gè)系統(tǒng)的智能管理監(jiān)控中心，在每個(gè)教室獨(dú)立設(shè)置一個(gè)由微控制器(PIC16F873A)和多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器以及光敏/電流傳感器組成的模塊化設(shè)計(jì)單元。每個(gè)設(shè)計(jì)單元中的微控制器通過采集本教室內(nèi)各點(diǎn)光線強(qiáng)弱來調(diào)節(jié)教室各處LED日光燈的電流，使教室的照明穩(wěn)定舒適，以利于節(jié)電和保護(hù)視力。而各個(gè)教室LED燈和光敏傳感器的數(shù)目則由教室本身面積大小決定。

同時(shí)，中央控制器(PC機(jī))通過LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化管理，如：每學(xué)期初可由工作人員將本學(xué)期教室的實(shí)際上課情況輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過處理后自動(dòng)將該教學(xué)樓的每個(gè)教室的熄燈定時(shí)時(shí)間發(fā)送給各個(gè)下位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)熄燈管理。另一個(gè)常用功能是，中央控制器為每個(gè)教室的LED工作情況建立工作日志并實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能，工作人員可隨時(shí)監(jiān)控每個(gè)LED的工作情況，一旦有故障，可及時(shí)進(jìn)行維護(hù)修理。此外，為了減少系統(tǒng)成本，系統(tǒng)采用現(xiàn)有的RS485作為通信網(wǎng)絡(luò)，并利用軟件協(xié)議來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與多個(gè)教室下位機(jī)之間遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每個(gè)教室采用模塊化設(shè)計(jì)，包括一個(gè)PIC16F873A微控制器、LED驅(qū)動(dòng)器、LED燈以及光敏/電流傳感器等主要器件。該單元模塊主要實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)光線的采集與處理、LED的自動(dòng)調(diào)光控制、手/自動(dòng)熄燈控制以及與上位機(jī)之間的通信功能。模塊單元設(shè)計(jì)如圖2所示，為了減少成本，每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器為兩路LED燈串聯(lián)供電。

圖2 模塊單元設(shè)計(jì)框架

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)電路主要包括PIC16F873A單片機(jī)最小系統(tǒng)、光敏電阻采樣電路、電流采樣電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、D/A調(diào)壓電路、RS485通信接口電路等。

LED驅(qū)動(dòng)電路采用英飛特電子有限公司的EUC-025S035DS作為LED低壓恒流驅(qū)動(dòng)器，它包含一個(gè)高效率的電源轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部電路來實(shí)現(xiàn)市電調(diào)光兼容性，具有高效率、高可靠性、長壽命、輸入電壓范圍寬、低壓恒流等優(yōu)點(diǎn)，并具有良好的線性調(diào)光功能。

D/A調(diào)壓電路采用一個(gè)PWM與一個(gè)低通濾波器結(jié)合，用作簡單廉價(jià)的D/A轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光控制信號。電阻/電容值用計(jì)算機(jī)模擬仿真后分別選擇為10 kΩ和 4.7 μF。

RS485通信接口電路采用MAX487芯片，選擇異步工作方式，采用標(biāo)準(zhǔn)的NRZ碼，串行信息的編碼方式采用的是1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，波特率值選為19.2 Kb/s。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)主要由主程序、A/D采樣程序、PWM程序、RS485通信程序以及中斷服務(wù)程序等組成。系統(tǒng)開始工作后主程序首先對單片機(jī)內(nèi)部及外部的資源初始化，然后根據(jù)接收到的PC機(jī)指令，執(zhí)行相應(yīng)的處理。PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送5個(gè)命令：0x01~0xfa表示 PC機(jī)分別選擇1號~250號教室PIC控制器開始進(jìn)行操作；0xff表示PC機(jī)完成對當(dāng)前教室的控制，結(jié)束本次通信；0xfb表示PC機(jī)發(fā)送開燈信號，相應(yīng)繼電器吸合控制LED亮；0xfd表示PC機(jī)發(fā)送滅燈信號，相應(yīng)的繼電器斷開控制LED滅；0xfe表示PC機(jī)發(fā)送省電模態(tài)信號，PIC進(jìn)入休眠狀態(tài)，以低功耗方式運(yùn)行。

系統(tǒng)初始化包括對PIC單片機(jī)各個(gè)I/O端口方向功能設(shè)置、A/D工作方式設(shè)置、異步串行通信波特率和工作方式設(shè)置、PWM周期設(shè)置，以及允許A/D轉(zhuǎn)換中斷和串行接收中斷等。A/D采樣程序、PWM程序、RS485發(fā)送程序均在中斷服務(wù)程序中完成。

3 上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件[2]。考慮到本項(xiàng)目采用RS485通信并且要實(shí)現(xiàn)多路的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，因此本系統(tǒng)上位機(jī)智能管理軟件采用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，其主要的功能界面如下：

(1)上位機(jī)通過圖3所示的輸入界面獲取某教室使用情況，經(jīng)軟件處理分析后得到該教室開/熄燈時(shí)刻表，并根據(jù)該時(shí)刻表來控制該教室內(nèi)LED的開/關(guān)燈。

圖3 某教室課表輸入界面

(2)上位機(jī)通過RS485通信獲取各個(gè)教室的LED工作情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)LED燈的狀態(tài)，并記入日志。若照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能及時(shí)故障報(bào)警，如圖4所示。

圖4 某教室LED燈狀態(tài)監(jiān)控界面

4 RS-485多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)

要實(shí)現(xiàn)一棟樓宇內(nèi)的智能照明控制，需要解決多個(gè)教室微控制器間遠(yuǎn)距離通信的問題，因此本項(xiàng)目采用RS-485通信，并通過相應(yīng)的軟件協(xié)議來保證數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。

RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達(dá)200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。使用RS-485總線，一對雙絞線就能實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，設(shè)備簡單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長距離通信的優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的多機(jī)通信結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 RS485多機(jī)通信結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教室智能LED照明系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)舒適環(huán)保：采用綠色環(huán)保的LED燈來取代傳統(tǒng)的日光燈，輔以自動(dòng)調(diào)光技術(shù)使光線穩(wěn)定舒適，有利于保護(hù)視力。

(2)高效節(jié)能：采用高效率的開關(guān)電源技術(shù)、手/自動(dòng)熄燈定時(shí)控制技術(shù)，可以節(jié)約電能20%~50%。

(3)模塊化設(shè)計(jì)：樓宇內(nèi)各個(gè)房間之間保持獨(dú)立，每個(gè)房間為基本模塊設(shè)計(jì)單元，具有良好的擴(kuò)展性。

(4)智能控制中心：每棟樓宇都配有一個(gè)中央智能管理中心，負(fù)責(zé)管理和監(jiān)控整個(gè)樓宇的照明系統(tǒng)，并具有良好的用戶界面。

該系統(tǒng)也可適用于寫字樓、工廠、商場、學(xué)校、居家等室內(nèi)照明場所，具有較高的實(shí)用價(jià)值和良好的推廣應(yīng)用前景。

[1]Chen Poyen.Development of an energy efficient street light driving system，sustainable energy technologies[C].ICSET 2008：761-764.

[2]孫亞萍，張慧熙.基于LABVIEW的自動(dòng)熱測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].杭 州 師 范 大 學(xué)(自 然 科 學(xué) 版)，2009(12)：23-27.

[3]袁朝輝，馬煜.基于虛擬儀器的城市景觀照明分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)煜實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010(5)：100-103.

[4]Microchip TechnologyInc.MPLAB? IDE用戶指南.http：//www.microchip.com 2005.