車站大廳照明控制系統(tǒng)設計

程 莉，魚 強，雷 皓

（新疆職業(yè)大學 機械電子工程學院，新疆 烏魯木齊 830013）

人口和經(jīng)濟的快速增長必然會帶來環(huán)境污染、能源緊缺等一系列問題，早在20世紀初，如何實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展就成了全世界各國所共同關注的問題[1,2]。對于特定區(qū)域的照明既要滿足功能又要節(jié)約能源，有效避免“長明燈”的情況，本文應用現(xiàn)代控制先進技術，結合車站大廳的具體要求，設計出了集節(jié)約能源、良好的室內(nèi)光環(huán)境及易于運行管理為一體的照明控制系統(tǒng)。

一、車站大廳照明控制系統(tǒng)的總體設計

（一）系統(tǒng)的總體組成

車站大廳室內(nèi)空間結構復雜，既有空間層面，又設有不同功能區(qū)域，有候車大廳、進站廣廳、商業(yè)區(qū)、售票廳、其他公共區(qū)等，這些不同區(qū)域對于照明的需求是不同的，同一區(qū)域也會因多種功能不同而要求差異化照明。

車站大廳照明控制系統(tǒng)由信號線（非屏蔽6類4對雙絞線）將各種不同功能模塊（時間管理模塊MT、調(diào)光模塊D、場景控制模塊M、開關模塊R等）連接在一起，形成總線拓撲結構（如圖1所示）。該系統(tǒng)的控制器采用STC89C52單片機，上位機是PC機，PC機通過CAN總線與單片機進行通信。上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測當前大廳各個區(qū)域的現(xiàn)場信息，并根據(jù)設計需求做出判斷、發(fā)送指令。

照明控制系統(tǒng)可以通過智能傳感器（光敏元件、紅外人體識別感應、移動探測傳感等）獲取調(diào)節(jié)照度的實時信息，并將信息傳給單片機，系統(tǒng)會結合設置好的車站大廳各個區(qū)域運營方式的程序進行模擬計算，并根據(jù)計算結果調(diào)節(jié)照度、改變場景，來滿足不同功能區(qū)域、不同時段需求的差異化照明，從而達到節(jié)能又舒適的照明效果。實現(xiàn)這一節(jié)能設計的基礎就是要根據(jù)實際情況合理分配照明回路，通過對相關區(qū)域運營特點的分析確定控制回路，保證與其功能相適應的照度需求，避免電能浪費，同時提高管理效率。

1.控制器的設計

在本設計中，車站智能照明控制器使用的是宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52單片機作為主控芯片，它的主要功能是進行數(shù)據(jù)的采集和信號的處理。該控制器的構成有電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、復位模塊以及執(zhí)行模塊等，安裝在每個需要調(diào)光的區(qū)域中，具體系統(tǒng)設計框圖如圖2所示。

車站大廳智能照明控制器可以實現(xiàn)如下功能：

（1）實時監(jiān)測車站大廳各區(qū)域內(nèi)的光照度信號；

（2）根據(jù)紅外人體識別感應器統(tǒng)計各區(qū)域人流量，并進行數(shù)據(jù)采集和處理；

（3）實現(xiàn)與上位機通過CAN總線進行遠距離、高速度的實時通信；

（4）接受上位機的控制指令并執(zhí)行指令；

（5）控制器本身具有基本控制策略。

2.上位機

上位機采用PC機，通過CAN總線可將PC機（具有CAN卡槽）與控制器連接起來實現(xiàn)通信。上位機可以根據(jù)接受控制器集的實時數(shù)據(jù)做出判斷（判斷依據(jù)是已經(jīng)編寫好的智能照明控制策略程序）并發(fā)出相應的控制指令給控制器，從而實現(xiàn)各個區(qū)域的照明控制。上位機管理人員能夠遠程掌握大廳各個區(qū)域的光照強度、室內(nèi)人流量信息、燈具所處運行狀態(tài)等實時信息。

3.通訊網(wǎng)絡

本設計采用CAN總線的通訊網(wǎng)絡（如圖3所示）。現(xiàn)場各個區(qū)域的模擬信號通過光電耦合器而被隔離，光電耦合器對開關量進行隔離后將現(xiàn)場各區(qū)域信號轉換為數(shù)字量輸入了單片機STC89C52中，然后經(jīng)CAN控 制器SAJ1000輸送到CAN總線上，同時單片機也可接收CAN總線的傳輸數(shù)據(jù)。

4.區(qū)域劃分

合理劃分區(qū)域要充分結合自然光。首先要明確車站大廳在各類自然環(huán)境下的照度分布，根據(jù)不同照度分布劃分成不同區(qū)塊，然后對應設置不同人工照明回路，通過時間控制、照度控制或人工控制等手段，合理控制相應區(qū)域的燈具。如在太陽初升或初降之時，應對自然光強的區(qū)域（靠窗或有其他輔助照明），關閉相應的照明燈具以節(jié)省電能；在自然光弱的區(qū)域，開啟相應的照明燈具進行補充照明。

區(qū)域劃分還要結合各區(qū)域的不同功能。車站大廳兼具旅客候車、公共區(qū)域、商業(yè)等多種功能，各功能區(qū)域有不同的照度要求，公共區(qū)域照度水平可略低于候車區(qū)；商業(yè)區(qū)域應有局部照明，其照度水平可略高于候車區(qū)。候車區(qū)按軌道對應原則劃分成四個控制區(qū)域，每個區(qū)域都是獨立控制區(qū)域?？傊?，照度標準應符合其確定的功能，照度標準低，達不到照明效果；照度標準高，造成電能浪費。

（二）系統(tǒng)控制的三依據(jù)

1.光照度依據(jù)

參照JGJ 243-2011《交通建筑電氣設計規(guī)范》和原鐵道部頒布的有關照明設計規(guī)定，結合車站大廳各場所的空間特點，不同功能區(qū)域的照度規(guī)范目標值不同，候車區(qū)、問訊處等區(qū)域的照度值為200Lx，檢、驗票區(qū)，貴賓候車室，商業(yè)區(qū)等區(qū)域的照度值為300Lx；交通區(qū)、衛(wèi)生間等區(qū)域照度值為150Lx[3]。當不同功能區(qū)域的光照度小于規(guī)定照度值，且檢測器檢測到該區(qū)域有人時，則開啟相應區(qū)域的燈光補償，并通過調(diào)光系統(tǒng)達到該區(qū)域設定的照度值，實現(xiàn)恒光照明；當照度值達到相應功能區(qū)域的設定值時，無論該區(qū)域是否有人，照明系統(tǒng)都不啟動。同時為了避免系統(tǒng)頻繁開啟、關閉，系統(tǒng)可以通過改變照明燈光的發(fā)光強度即用單片機發(fā)出的PWM波對燈具進行調(diào)光，來滿足在自然光照度不足的情況下光照值與設定值相差的照度值，使車站大廳不同功能區(qū)域都能夠滿足規(guī)定的照度值。

2.人員依據(jù)

智能照明控制系統(tǒng)就是以管理高效、節(jié)約能源為主要目的。為了實現(xiàn)車站大廳各個功能區(qū)域最大限度的節(jié)能控制，本設計在不同功能區(qū)域分布安裝人體紅外檢測系統(tǒng)，對各個功能區(qū)域是否有人進行探測，當檢測系統(tǒng)檢測到相應區(qū)域內(nèi)有人且人員停留時間在t秒以上，該區(qū)域的照明系統(tǒng)就會啟動來補償自然光照不足的情況，時間延遲t秒是為了避免人員在某一區(qū)域頻繁進出，系統(tǒng)頻繁開關，燈具照明壽命減少。此種方法多使用在車站大廳的連接過道、站臺及衛(wèi)生間等功能區(qū)域，可以避免開啟過多不必要的燈具，實現(xiàn)有效節(jié)能的效果。

3.時間依據(jù)

車站大廳（候車廳）一般都會有開、關的具體時間段（每天最后一趟火車發(fā)車為關閉時間，第一趟火車開車前兩小時左右是開啟時間），因此時間管理模塊作為系統(tǒng)開啟或者關閉其中的一個重要依據(jù)。在車站大廳關閉期間，照明系統(tǒng)可以關閉，或者根據(jù)手動操作進行燈光控制；當系統(tǒng)處于車站大廳開放時間，系統(tǒng)會依據(jù)不同功能區(qū)域的照明需求信號，實施相應的燈光控制。

4.不同模式控制

根據(jù)前面討論的系統(tǒng)控制的三依據(jù)，本設計提供了多種模式控制，來滿足車站大廳不同功能區(qū)域的多種照明需求。照明模式分為強制模式（手動模式）和自動模式兩類，其中自動模式還可分為：候車模式、商業(yè)模式、公共模式。

（1）強制模式

強制模式即手動控制模式。在本設計中將“強制”或“自動”按鈕直接與外部中斷INT1相連，具有最高的優(yōu)先級。車站管理人員通過設置“自動”或“強制”按鈕為低電平，使控制系統(tǒng)轉到“強制”工作模式，在此模式下，管理人員需要使用手動按鈕對任意功能區(qū)域的所有燈具進行開啟、關閉，此時系統(tǒng)不受任何其他控制條件（開放時間、該區(qū)域有無人員）的限制。

（2）自動模式

當車站管理人員將“強制”或“自動”按鍵設置為高電平時，控制系統(tǒng)將進入“自動”工作模式，然后系統(tǒng)根據(jù)不同區(qū)域照明要求進入候車模式。

（3）候車模式

車站大廳中很重要的功能區(qū)域就是候車區(qū)，該區(qū)域面積較大，按軌道對應的進站候車區(qū)域劃分成四個獨立控制區(qū)域，每個控制區(qū)域再劃分成兩個或兩個以上控制單元。對僅有候車功能的空間采用50%的照明，另外50%的照明細分為10%、20%、30%等多檔控制單元；對于具有候車和檢、驗票的空間則全按最小的分檔控制。

在每個控制區(qū)域中照度檢測模塊首先工作，進行實時照度檢測，如果該區(qū)域達到相應規(guī)定的光照度值，無論是否有人，所有燈具呈關閉狀態(tài)；如果照度檢測未達到規(guī)定值，調(diào)光模塊工作，利用紅外檢測電路檢測該區(qū)域是否有人，有多少人，決定打開該區(qū)域相應檔位的照明燈具來做光照度補償，滿足該區(qū)域的照明需求；如果檢測沒有人，所有燈具仍呈關閉狀態(tài)。另外，控制器可以對燈光進行自動調(diào)節(jié)后達到恒光照明，不會因為部分乘客的進出而使燈光產(chǎn)生忽明忽暗的現(xiàn)象。

（4）商業(yè)模式

車站大廳中的商業(yè)區(qū)域要求光照強度在300Lx，當照度檢測模塊檢測該區(qū)域光照度小于300Lx時，調(diào)光模塊開啟相應燈具對自然光進行補償；當光照度大于300Lx時，系統(tǒng)則關閉相應的補償燈光。為了避免系統(tǒng)頻繁開關，導致系統(tǒng)不能正常工作，一般可以通過改變照明燈具的發(fā)光強度對燈具進行調(diào)光來滿足相應區(qū)域的光照強度。

（5）公共模式

車站大廳中的公共區(qū)域主要有通道、衛(wèi)生間、扶梯、問訊處等，光照強度在150Lx（除問訊處光照強度要求200Lx），照度檢測模塊檢測該區(qū)域的燈光會充分考慮廣告牌、燈箱等對照度的影響，一般在此周圍可適當降低照度。有調(diào)研報告稱，在普通照明關閉時，常亮廣告燈箱對靠墻地面照度的貢獻為15～50Lx。

（三）系統(tǒng)功能

1.對各區(qū)域光照度的實時監(jiān)測，并采集相應區(qū)域的預設數(shù)據(jù)

光照度監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測不同區(qū)域的光照度，人體紅外監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對該區(qū)域是否有人和人數(shù)的檢測，不同功能區(qū)域的監(jiān)測信息經(jīng)處理后發(fā)送給控制器，控制器又將其通過CAN總線協(xié)議控制器發(fā)送到上位機監(jiān)控系統(tǒng)。

2.自動調(diào)光控制的功能

管理人員通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)對采集來的數(shù)據(jù)進行分析后，再通過CAN總線協(xié)議控制器將指令傳達給控制器，隨后控制器根據(jù)指令通過控制開關電源改變電源的PWM波的占空比來調(diào)節(jié)輸出電流，從而完成對車站大廳各個功能區(qū)域的自動調(diào)光。

3.通訊功能

車站大廳里的每一個控制器都可以利用CAN總線協(xié)議控制器將其數(shù)據(jù)傳送到CAN總線上，實現(xiàn)與上位機的通信功能；控制器同時可以接受CAN總線上傳來的數(shù)據(jù)。

二、車站大廳照明控制系統(tǒng)的硬件設計

（一）車站大廳照明控制器的選擇

本設計所采用的是宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52單片機作為微處理器，因為其應用廣泛、成本低廉、操作簡易、能耗較低、可靠性強，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活、高效、價格低廉的控制方案。

（二）單片機最小控制系統(tǒng)

根據(jù)控制系統(tǒng)要滿足的功能設計了STC89C52單片機的最小控制系統(tǒng)（如圖4所示），主要包括：電源電路、晶振電路、復位電路等。

1.電源電路

電源電路的設計關系到整個系統(tǒng)性能的穩(wěn)定。提高電源質量，得到穩(wěn)定且紋波小的電源，同時為了減少或避免電源噪聲使其相互干擾，設計中加裝了濾波電容，對信號進行濾波從而達到減小干擾的目的。

2.復位電路

復位電路的設計就是讓整個系統(tǒng)實現(xiàn)復位，可靠、穩(wěn)定地運行。STC89C52單片機內(nèi)部本身具有復位電路，所以直接在RS復位引腳外接一個上拉電阻便可實現(xiàn)復位功能（如圖6所示）。

3.晶振電路

本設計中晶振電路設計選擇了一個低壓供電的有源晶振，能夠通過引腳18、19與單片機相連，連接方式如圖7所示。有源晶振的設計具有頻率帶寬、驅動力好的特點；濾波電路的設計有效地抑制了信號抖動和電磁干擾。

4.時鐘電路

U1為時鐘芯片DS1302，第5、6、7腳與單片機相連，通過程序讀取時鐘芯片發(fā)過來的時間再顯示。

（三）數(shù)據(jù)采集模塊電路設計

1.照度檢測模塊電路

智能照明系統(tǒng)的節(jié)能設計最重要的部分就是合理使用自然光，但自然光照強度會隨著時間、天氣、建筑結構、測量點選擇、窗戶的大小和方向不同而發(fā)生變化。在烏魯木齊車站大廳的設計中采用了弧形天窗及側高墻，其目的就是最大限度利用自然光，經(jīng)照度分析，全云天大廳自然采光平均照度高于設計水平，天窗覆蓋區(qū)光照強度范圍在550-1800Lx，高架夾層部分光照強度范圍在20-200Lx。因此，對高架夾層以下部分應考慮布設人工照明系統(tǒng)，在自然光照不足情況下對其進行補償。在晴天，大廳的光照強度在120-72020Lx之間，即使是高架層以下部分也不需要補充人工照明。晨昏時分，車站大廳的光照強度不均勻，需要在部分區(qū)域補充人工照明。

（1）亮度調(diào)節(jié)的實現(xiàn)

車站大廳智能的照明控制系統(tǒng)通過在不同功能區(qū)域安裝照度監(jiān)測控制模塊來實施監(jiān)測影響區(qū)域的光照強度，并判斷是否達到該區(qū)域設定的滿足其相應功能的光照強度規(guī)定值，如沒有達到則通過系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)燈光照度來滿足照明需求。

車站大廳所采用的是大功率金鹵燈，根據(jù)該燈具的電器特點可知，其發(fā)光強度和其兩端正向電流呈正相關。當利用脈寬調(diào)制(PWM)進行調(diào)光時，通過金鹵燈的平均電流I和它占空比H呈正相關，當H=I00%時，則電流達最大值IM。

（2）光照度控制模塊的組成

本設計中，光照度控制模塊由檢測模塊、A/D轉換模塊、光照度補償模塊組成。為配合整個控制系統(tǒng)要求快速相應，設計簡單的原則，光照度檢測模塊是利用普通光敏二極管與運算放大器組成照度計控制電路模塊（如圖9所示）。

2.紅外對管檢測電路

本設計采用一對紅外發(fā)射接收管作為紅外計數(shù)器的信號檢測頭，可以統(tǒng)計進、出車站大廳的旅客人數(shù)，在相應人數(shù)的范圍內(nèi)開啟對應控制檔的燈光，且具有價格低廉、抗干擾性好、結構簡單、操作方便等特點。

如圖10所示，運算放大器LM339起到電壓比較器的作用，其原理是當輸入電壓V+＜V-時，輸出低電平，反之則輸出高電平（管腳4腳為V-， 管腳5是V+，管腳2是輸出）。

紅 外 發(fā) 射 管LED8和LED9，紅 外 接 收管LED6和LED7，接收端的上拉電阻R12和R13，限流保護發(fā)射管R21和R22。當有人員經(jīng)過或障礙物遮擋時，接收管接收到經(jīng)過遮擋后發(fā)射的紅外光，遂導通接地，此時V+＜V-，比較器輸出低電平，LED燈亮；如沒有人經(jīng)過或沒有遮擋時，接收管不導通，V+＞V-，比較器輸出高電平，LED燈滅。單片機控制器通過判斷電平的高低來確定是否有人經(jīng)過或是否有遮擋物。

3.人體紅外感應檢測電路

本設計中選用HC-SR501人體感應模塊作為紅外人體檢測，可實現(xiàn)全自動感應。利用HC-SR501人體感應模塊的兩種不同觸發(fā)方式來判斷感應范圍內(nèi)是否有人。不可重復觸發(fā)即感應輸出高電平后，經(jīng)過一段時間延遲且在該時間內(nèi)無人體在其感應范圍內(nèi)活動，輸出自動從高電平變成低電平；而可重復觸發(fā)則不同，當感應輸出高電平后，在延遲時間內(nèi)感應有人體在其范圍內(nèi)活動，則輸出仍保持高電平，直到人體離開感應區(qū)域后，輸出才變?yōu)榈碗娖?。人體感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延，兩種感應方式可以跳線選擇（如圖11所示）。

（四）通信模塊的設計

在本設計選擇CAN總線作為智能照明控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制總線，因其具備多重優(yōu)越性能：傳輸距離長（10KM）、傳輸速率高（1Mbit/s）、節(jié)點數(shù)多組網(wǎng)方便、錯誤處理和檢錯機制可靠性高、多種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)方式等，而廣泛地應用于工業(yè)自動化的各個領域。

本設計中CAN總線收發(fā)器是PCA82C250芯片，其主要作用是CAN總線協(xié)議控制器（SJA1000）和物理總線之間的接口，可提供向總線的差動發(fā)送能力和CAN總線協(xié)議控制器的差動接受能力。

由于STC89C52型單片機本身不具有CAN總線控制器，故在本設計中采用SJA1000型CAN總線通信控制器和AT82C250型總線驅動器來實現(xiàn)單片機與CAN總線之間的通訊。

1.SAJ1000與STC89C52接線設計

在本設計中，為了連接到STC89C52型單片機，選取了SJA 1000芯片作為CAN總線控制器，來提供復用的地址/數(shù)據(jù)總線及附加的讀/寫控制信號，此時作為外圍存儲器的SJA 1000芯片為單片機映射I/O設備。

本設計中SJA 1000的片選由微控制器的P 2.7引腳信號取反后控制，其內(nèi)部寄存器的地址由P0口和P2口共同來決定，P0口為低8位，P2口為高8位。在控制電路中，SJA 1000的復位為低電平，并且要求TX1腳懸空，RX1引腳電平控制在0.5Vcc以上，這與CAN協(xié)議要求中的電平邏輯要吻合。

2.SAJ1000與PCA82C250接口電路設計

本設計中，CAN總線收發(fā)器PCA82C250芯片具有抗干擾能力強、響應速度快，并且可以通過斜率控制降低射頻干擾的優(yōu)點，同時可與110個節(jié)點連接，其中某個節(jié)點掉電都不會影響總線。工作時，可以通過改變管腳8的連接選擇不同的工作模式。使用時還需注意物理總線兩端的終端電阻Rt要匹配，否則總線通信的可靠性和抗干擾性都會降低，在通信線路空閑時還會出現(xiàn)整個網(wǎng)絡的通信混亂。SAJ1000與PCA82C250接口電路設計如圖13所示。

三、車站大廳照明控制系統(tǒng)的主程序設計

軟件設計是整個控制系統(tǒng)的核心，也是該系統(tǒng)控制思想的主要體現(xiàn)，主要功能為控制系統(tǒng)運行提供預設的指令動作。本設計中主程序采用C語言進行編寫，主程序流程圖如圖14所示。

四、車站大廳照明控制系統(tǒng)的應用

新疆哈密鐵路車站于2012年進行封閉改造，2014年11月隨蘭新高速鐵路的正式開通而投入運營。改擴建后的車站大廳室內(nèi)空間結構復雜，分為高架層、站臺層、出站層三個空間層面，同時又設有不同功能區(qū)域，有候車大廳、進站廣廳、商業(yè)區(qū)、售票廳、其他公共區(qū)等，這些不同區(qū)域對于照明的需求是不同的，同一區(qū)域也會因多種功能不同而要求差異化照明。

照明控制系統(tǒng)為該車站大廳照明節(jié)能提供了技術手段，既滿足了各功能區(qū)域的照明需求、旅客和工作人員視覺的舒適度，同時又實現(xiàn)了高效的運行管理和最大限度的節(jié)約能源。經(jīng)過一段時間對車站大廳照明耗電量的采集，使用照明控制系統(tǒng)后車站大廳照明耗電量減少25%，具有良好的經(jīng)濟效益，可以用于推廣。

五、結語

本設計以車站大廳的照明系統(tǒng)作為研究對象，通過對現(xiàn)有的照明系統(tǒng)進行研究發(fā)現(xiàn)了一些問題，結合研究對象實際情況及目前先進的控制技術，設計了一套可實現(xiàn)自動控制的車站大廳照明控制系統(tǒng)。該設計在實現(xiàn)對車站大廳燈具的自動控制的基礎之上，還對車站大廳的功能區(qū)域進行了劃分并設置了相應的模式，力求給旅客及工作人員等營造一個良好的燈光氛圍，達到高效管理的同時還有效地避免了能源浪費。

未來的照明控制系統(tǒng)定會繼續(xù)與人類高新技術一同發(fā)展，人工智能將進一步運用到未來的照明領域，成為智能照明控制系統(tǒng)，這將在自由拓撲、無線通信、自由傳輸介質的基礎上實現(xiàn)自由組網(wǎng)，使操作更加方便、快捷[4]。