基于CAN/LIN總線的教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)

1 引言
智能照明系統(tǒng)在智能辦公大廈、現(xiàn)代化建筑中的研究運(yùn)用較多，而對(duì)于教學(xué)樓的研究運(yùn)用卻很少，導(dǎo)致傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)目前仍被廣泛使用，其基本結(jié)構(gòu)是動(dòng)力線根據(jù)設(shè)備控制需求進(jìn)行分線，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總線的智能照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的集中管理，降低系統(tǒng)的管理費(fèi)用。采用可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器恒照度控制，充分利用日光，真正實(shí)現(xiàn)了合理節(jié)能，為學(xué)生營(yíng)造舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境;燈具軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)使用壽命，減少了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

CAN網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)是一種架構(gòu)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內(nèi)部測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。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)境下可靠地工作^[1]。LIN 總線是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線)提供輔助功能。在不需要類似CAN的高端汽車總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合，使用 LIN總線可以大大節(jié)省成本。在LIN實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中，通常將模擬信號(hào)量用數(shù)字信號(hào)量替換，這將使總線性能得到優(yōu)化。因此，CAN/LIN總線很快由最初的汽車行業(yè)擴(kuò)展到工業(yè)控制領(lǐng)域^[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)干線采用CAN總線，支線采用LIN總線。CAN總線具有很高的可靠性，高速、長(zhǎng)距離傳輸，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)廉價(jià)，其特有的多主傳送方式，可以使各個(gè)分機(jī)(節(jié)點(diǎn))根據(jù)需要自主發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)需主機(jī)不停地輪詢，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量，傳輸效能高。CAN總線的上述性能都已固化在CAN總線處理芯片之中，使用極為方便^[3]。LIN總線基于通用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(hào)線(一根12V信號(hào)總線和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)同步時(shí)鐘線)，設(shè)備硬件成本低^[2]。

數(shù)字化可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器智能照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能^[4]:

(1)分散控制:將控制功能分散給系統(tǒng)每一個(gè)子控制器;

(2)全自動(dòng)調(diào)光:使照明系統(tǒng)工作在全自動(dòng)狀態(tài),系統(tǒng)可設(shè)定若干個(gè)狀態(tài)，這些狀態(tài)會(huì)按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間相互自動(dòng)切換,并將照度自動(dòng)調(diào)整至最佳的工作水平。

(3)在每個(gè)控制終端面板上均可觀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(yù)相結(jié)合，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置開(kāi)關(guān),方便操作;

(6)可在監(jiān)控室實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)管理;

2.1 硬件設(shè)計(jì)^[5]
CAN/LIN總線控制系統(tǒng)示意參見(jiàn)圖1:

圖1 CAN/LIN總線控制示意圖

(1) 系統(tǒng)單元:PC機(jī)(帶CAN接口卡)、系統(tǒng)電源、每層樓的子監(jiān)控單元(51單片機(jī)8LPC902)、各教室終端控制器(51單片機(jī)8LPC902)。PC 機(jī)作為主控制器，向各個(gè)子單元發(fā)布和接受信息，對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并負(fù)責(zé)恒照度控制的邏輯運(yùn)算。子監(jiān)控單元主要負(fù)責(zé)通訊轉(zhuǎn)接，在其與CAN總線接口處加CAN/LIN總線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
(2) 輸入單元:單／雙／四鍵開(kāi)關(guān)、室外／室內(nèi)紅外線感應(yīng)器、照度傳感器、光電感應(yīng)器、輔助輸入單元，它們均作為教室控制器的的信號(hào)源，LIN總線上的終端控制器地址編號(hào)通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定，其主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集和存儲(chǔ)及響應(yīng)總線要求發(fā)布信息，同時(shí)，對(duì)采集的信號(hào)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(jī)采用LIN收發(fā)器來(lái)接受發(fā)布信號(hào)，內(nèi)部信號(hào)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(diào)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(duì)待，利用紅外線傳感器作為輸入，調(diào)用主控機(jī)最近一次照度計(jì)算值來(lái)判斷，不單獨(dú)安裝照度傳感器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
LIN總線上單片機(jī)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(tǒng)中的恒照度控制^[6]

使用光電感應(yīng)器測(cè)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(jì)出室內(nèi)的桌面照度,再與設(shè)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(dá)到節(jié)能的目的，也可以提供一個(gè)不受季節(jié)與外部環(huán)境影響的相對(duì)穩(wěn)定的視覺(jué)環(huán)境。該模型與使用室內(nèi)照度傳感器相比，其優(yōu)點(diǎn)是避免當(dāng)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(yīng)維持在設(shè)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(nèi)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(hù)學(xué)生眼睛，避免大電流和高溫的突變對(duì)燈絲的沖擊,保護(hù)燈泡,延長(zhǎng)使用壽命。
(3) 主控機(jī)管理程序
PC機(jī)管理程序在Windows2000操作系統(tǒng)下，利用Visual C++開(kāi)發(fā)，包括系統(tǒng)監(jiān)控、通訊管理、數(shù)據(jù)運(yùn)算、命令輸出以及鍵盤(pán)顯示等模塊。系統(tǒng)運(yùn)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(jī)的顯示器上，各層顯示圖象間可互相切換，形象直觀，操作方便^[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)
該智能照明系統(tǒng)改善了教室的照明環(huán)境，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中,配有傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器的日光燈以100Hz的頻率閃動(dòng),且啟輝時(shí)的亮度不穩(wěn)定,而智能照明系統(tǒng)中的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器則工作在很高頻率(40~70kHz),克服了頻閃，利于保護(hù)學(xué)生視力,提高學(xué)習(xí)效率。該系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)光,充分利用自然光,使室內(nèi)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