控制科学与工程硕士论文-大学教室智能照明控制器及其系统的研究与开发.pdf

北京化工大学 硕士学位论文 大学教室智能照明控制器及其系统的研究与开发 姓名：程春 申请学位级别：硕士 专业：控制科学与工程 指导教师：刘淑敏;张建青 20100528 摘要 大学教室智能照明控制器及其系统的研究与开发 摘要 目前，用于照明的能源消耗占整个办公大楼能源消耗的2 0 6 0 ，研 究其节能具有很重要的意义。本文在分析智能照明控制系统的发展背景和 应用优势上，研究了目前较成熟的智能照明控制系统的优缺点，并将对象 定位于大学教学楼的照明研究。大学中传统的照明控制方式由于其管理落 后、能源浪费、舒适性差、布线复杂以及灯具寿命短缺点，造成了大学校 园中普遍存在“长明灯“ 、“无人亮灯”等电能浪费的现象。而现有成型的智 能照明控制系统在应用中存在一些问题，需要对其作进一步的研究与开 发。 本文详细研究了大学教室的使用特点和照明需求及存在的问题，提出 了一种网络化的教室照明智能控制系统，采用低功耗单片机和总线技术， 给出了教室照明控制器和上位机系统的设计方法，在此基础上，在实验室 中实现了测试系统的开发和调试。同时，文中提出了通过建立人数预测模 型实现教室自习时段的照明控制方法，并论述了网络化照明控制的优越 性，改善了现有教室照明控制中存在的误关断和浪费电能的问题。 论文中详细介绍了整个照明控制系统的功能和控制策略、现场控制器 的硬件电路和软件程序设计、上位机用户界面的开发等。主要完成了以 M S P 4 3 0 F 1 4 9 单片机为核心芯片的硬件设计，包括数据采集模块、串口通 讯模块和执行模块等的电路设计和软件开发；设计了整个系统的控制策略 和功能，并开发了整个系统的上位机管理系统，实现与教室控制器的通讯。 T 北京化工大学硕十学位论文 最后，在实验室环境下，测试了整个系统的性能。 实验证明，教室照明控制器的控制方案具有较好的节能效果，改善了 “长明灯“ 等问题，基于网络化的系统控制拓宽了照明智能调控的多种可 能，并有较好的节能和智能控制效果。 关键词：照明控制，节能，网络化，R S 一4 8 5 ，预测模型 I I A B S T RA C T T H ER E S E A R C HA N DD E V E L o P M E N To F U N I V E R S I T YC L A S S R o o MI N T E L L I G E N TL I G H T I N G C o N T R o L L E RA N DS Y S T E M A B S T R A C T R e c e n t l y , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fl i g h t i n gc a nr e a c hf o r2 0 t o6 0 o fa l le n e r g yc o n s u m p t i o ni no f f i c eb u i l d i n g S o ，i t Sv e r yi m p o r t a n tt o r e s e a r c ht h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nl i g h t i n g T h i sp a p e ra n a l y z e st h e d e v e l o p m e n tb a c k g r o u n da n da p p l i c a t i o na d v a n t a g e so fi n t e l l i g e n tl i g h t i n g c o n t r o ls y s t e m T h e ni tf o c u s e sa tu n i v e r s i t yc l a s s r o o ml i g h t i n gc o n t r 0 1 T h e r e a r em a n yd i s a d v a n t a g e si nt r a d i t i o n a lc l a s s r o o ml i g h t i n gc o n t r o l ，f o re x a m p l e ， t h el i g h t sa l w a y sb e e nt u r n e do nw h e nn oo n ei nt h ec l a s s r o o m I nr e s p o n s et ot h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e r p r e s e n t san e wt y p eo f i n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e da tM C U a n db u st e c h n o l o g yf o r u n i v e r s i t yc l a s s r o o m s I tc o m p o s e so ft h r e ep a r t s ：l i g h t i n gc o n t r o l l e ri nt h e c l a s s r o o ms c e n e ，t h eu p p e rc o m p u t e rm a n a g e m e n ts y s t e ma n dR S 一4 8 5 c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ew h o l e l i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h eh a r d w a r ea n ds o t l w a r ed e s i g nf o rt h el i g h t i n g I I I 北京化工大学硕士学位论文 c o n t r o l l e ri nc l a s s r o o m ，t h es o f t w a r ed e s i g nf o ru s e ri n t e r f a c eo ft h es y s t e m a n dt h ec o m m u n i c a t i o nd e s i g nb a s e da tR S - 4 8 5 T h i sp a p e rh a sm a i n l y c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ，t h ec i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t o f d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h e i m p l e m e n t a t i o nm o d u l e ，e s t a b l i s h i n g t h ec l a s s r o o m p o p u l a t i o nf o r e c a s tm o d e l b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，d e s i g nt h el i g h t i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n d t h ei n t e r f a c ed e s i g no ft h em a n a g e m e n ti nt h eu p p e rc o m p u t e rb yV i s u a lb a s i c a n dA c c e s s T h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mo fc l a s s r o o m l i g h t i n gc o n t r o l l e rh a sw e l le n e r g y - s a v i n ge f f e c t ，a n di m p r o v em a n y i s s u e s T h en e t w o r kc o n t r o lp l a ni sa l s of e a s i b l e ，a n dh a sg o o de n e r g ye f f i c i e n c ya n d i n t e l l i g e n tc o n t r o le f f e c t s K E YW O R D S ：L i g h t i n gc o n t r o l ，E n e r g y s a v i n g ，N e t w o r k ，R S - 4 8 5 ， P r e d i c t i o nm o d e l I V 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：拍寿日期：矽7 年r 目倦| 日 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 作者签名：弗彦日期：矽2p 绎，闷蚀目 刷磁轹卟函扣醐：渺扩” 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 能源问题和环境问题一直是人类社会面对的重大问题，特别是到了二十一世纪， 对降低能耗和保护环境的要求更成了国家长期发展的重中之重，我国也提出了“节能 减排”的号召。而在众多的能源问题中，电能的短缺是束缚经济发展和人民生活的重 要能源问题之一。 据报道，用于照明的能源消耗占整个办公大楼能源消耗的2 0 6 0 E 1 1 ，这部分能 耗的多少很大程度上取决于照明的控制效果。在现代建筑的楼宇自动化系统中，照明 控制也是其中一个重要分支。现代建筑对照明的要求很高，除了应该满足为建筑内人 们在工作、学习、生活时对视觉环境的要求以外，还应该利用照明设备的不同类型及光 线的变换为人们提供一个舒适、有美感的办公、学习和生活环境，此外，还应该提高 能源的利用率，实现节能的目的【2 J 而传统的照明系统由于其管理落后、能源浪费、舒 适性差、布线复杂以及灯具寿命短【3 邛艮性己不能满足人们的这种需求，所以研究新型 照明控制系统，对减少这部分能源消耗、减少环境污染，同时更好的满足人们对照明 质量的要求都有极其重要的意义。 新型的照明控制系统主要指综合了照明、自动化控制、计算机技术、电力电子技 术和网络技术等的智能照明控制系统。最根本的是通过充分利用自然光来减少人工照 明带来的能源消耗【4 卅。 1 2 采用智能照明控制系统的优势【7 1 0 】 传统的照明控制系统主要是由照明配电箱通过手动开关实现控制照明灯具通断 的目的，或在照明回路中串入接触器，实现远距离控制【7 J ，在灯具的开关控制上采用 手动开关，所以很大程度上依赖于人的主动性。而智能照明控制系统根据某一区域的 功能、每天不同的时间、室外光亮度或该区域的用途来自动控制照明。它能充分利用 自然光，实现照明管理智能化。具体来说其优越性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 提高照明控制的智能化程度，使整个照明系统出去全自动状态，可以根据不同 场合在不同时段中不同的情景需求，预先设定合适的照明效果，更加智能化和人性化。 ( 2 ) 减低电能消耗，有良好的节电效果，充分利用自然光作为光源，以人工光为补 充，并结合室内的人员情况，只有在必需时才开启照明灯具，节能效果十分显著，一 般可以达到3 0 左右哺J 。 北京化工大学硕士学位论文 ( 3 ) 改善室内工作环境，提高室内人员的工作效率。 ( 4 ) 提高建筑物的照明系统管理水平，将传统的人为开关控制转换为智能化的管 理，将大大减少大楼的运行、维护和管理的费用。 总之，研究新型照明控制器及系统，对于节约照明用电，减少环境污染，满足人 民群众日益增长的对照明质量、照明环境和减少环境污染的需要，建立优质高效、经 济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统有着极其重要的意义。 1 3 智能照明控制系统的网络结构【7 ，1 1 ，1 2 l 现代智能照明控制系统的网络结构大致有以下两类： ( 1 ) 集中式 这种系统结构主要是星型拓扑结构，系统中由一个位于网络中心的中央总控制器 实现对照明系统的检测与控制策略的实施，各照明节点的控制和数据处理都要由总控 制器来完成。但这种结构也存在一定的缺点：当总控制器在软件或硬件方面出现故障 后，整个系统将处于失控的状态。由于集中式控制存在着结构隐患，近年来使用这种 拓扑结构的照明控制设备越来越少。 ( 2 ) 分布式 这种系统采用分布式总线，所有的子系统都挂接在总线上，各子系统通过通信协 议进行信息通讯。各子系统可以独立完成照明控制。如果子系统发生故障，其影响性 只局限在局部范围，不会扩散到整个系统。分布式控制这种网络结构具有较好的扩展 性和容错性。 总之，智能照明控制系统都为数字式的照明管理系统。系统一般采用集中式控制 管理和分散式执行的方式。 1 4 智能照明控制系统的研究现状【1 3 - 1 6 】 目前国内几种常见的照明控制系统有以下几种： l 、D y n a l i t e 智能照明控制系统 该系统主要由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、 编程捅【 时钟管理器、手持式编程器：手U P C 监控机等部件组成。采用D y N e t 网络连接， D y N e t 是一个分布式智能化网络，使用R S 4 8 5 通讯协议。 系统的工作原理是：控制模块由微处理器控制，所有控制部件均互连在D y N e t 网 络上，网络上每一个装置内的存贮器均存有操作所需的全部指令。用户利用控制面板 按键选择一个预置场景是一种最简单的控制方式。每个调光器可以预置9 6 个场景。利 2 第一章绪论 用时钟控制器也是一种常见的照明控制方式。另一常用设备是通用传感器，其由动静 控测远红外跟踪、光度检测光电管和用于遥控的接收器组成。 2 、C B u s 智能照明控制系统 C B u s 系统是1 9 9 4 年由澳大利亚奇胜电气公司开发的，现已广泛用于很多国家和 地区。C B u s 系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统，主要用于对照明系统的 控制。也可用于消防等系统中的联动控制，系统所有的单元器件( 除电源外) 均内置 微处理器和存储单元，由一对信号线( 双绞线) 连接成网络。每个单元均设置唯一的 单元地址并用软件设定其功能，通过输出单元控制各回路负载。输入单元通过群组地 址和输出组件建立对应联系。当有输入时，输入单元将其转变为C B u s 信号在C B u s 系统总线上广播，所有的输出单元接收并做出判断，控制相应回路输出。 控制方式包括场景控制、定时控制、红外线传感器控制、就地控制、集中开关控 制和集中调光控制、群组组合控制、系统联动及广域控制。 3 、A B Bi - b u sE I B 智能安装系统 E I B 智能系统由总线、总线电源、智能传感器( 光线传感器、模糊开关、时间控 制器、移动传感器) 、智能开关驱动器和其他智能元件( 逻辑模块总线耦合器) 构成。 它是典型的现场总线系统，每个元件就是一个节点，这些节点连接在一根2 芯双绞线 介质的总线上，不分主从隶属关系实现相互之间的通讯从而实现控制和被控制。 1 5 本课题照明控制对象的选择 据教育部公布，截止2 0 0 7 年5 月1 8 日，全国共有高校2 6 2 1 所高校( 包括全国 普通高校共1 9 0 9 所、民办普通高校共2 9 5 所、成人高校共4 1 5 所、民办成人高校共 计2 所) ，且每个高校不止一幢教学楼。近几年来，随着高校的扩招，学生数量大幅 增长，大学教学楼的数量也增加很多。由于大学开放型的管理模式，以及学生们节能 意识的淡薄，教室里在白天室内照度充足的情况下，仍普遍存在开灯学习的现象，即 使教室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明灯。在许多教室里，长明 灯和人走不熄灯的现象普遍存在。据测算，教学楼耗电量占学校所有耗电的40 左 右【1 7 】。 按照有关规定，教室照明的功率密度约为l OW m 2 。一个标准教室的面积为9 6 m 2 ，假设每天正常用电时间为15h ，每个教学年度按2 7 0d 计，一个学校教室数量为 2 0 0 间，节电率以平均3 0 计算，则一年可节电2 3 3 木1 0 5k W h ，节约电费1 2 - 2 0 万元。以上估算还未包括线损和灯具长时间开启而损坏的部分【1 8 , 1 9 】。因此，研究大学 教室的智能照明控制，在满足学校照明需求的基础上，实现大学教室的智能照明控制， 不仅能满足室内人员对照明的要求，又节能，延长灯具寿命，降低运行费用，简化节 省配电控制设备和管线工作量，其研究具有非常重要的现实意义。 3 北京化工大学硕士学位论文 现有的照明控制系统虽然产品和技术都已相对较成熟，却多为针对普通建筑物如 居民楼、办公楼，多采用定时控制、场景控制或简单的传感器控制，很难满足大学教 室罩人员多、流通性强等特点，所以有必要针对大学教室的特点，研究相应的照明控 制系统。本文将控制对象具体定位为大学教室，以细化照明控制的实施方案，提出针 对大学教室实现智能照明节能控制方案和实施方法。 现在大学教室主要是利用开关控制照明，这种开关一般包括两类：一类是定时开 关结合手动方式，它结合学校的作息规律和室内人员对照明的需求来控制开关灯，以 起到控制教室照明的作用。这种粗放式的控制方式很大程度上依赖于人的自觉性，很 容易照成“长明灯“ 的出现。另一类是采用照度感应开关来自动控制灯具的开关，这 是近几年出现的技术，是对传统以手动方式控制照明的一种很大的改进，笔者所在学 校也于2 0 0 9 年6 月开始陆续在校内的几个主要教学楼里安装了此种自动控制开关。主 要实现在室内光照度低于设定值并且检测范围内有人员存在时才开启照明设备。 后一类开关在一定程度上避免了教室无人时出现长明灯和的现象，并能够利用自 然光源，实现节能。但若只使用该照度感应开关来控制照明设备的开关时间，也存在 一定的弊端。主要表现为：其一、当环境温度接近人体温度时，灵敏度急剧下降；其二、 对静止物不能探测，人员相对静止时间如学生长时间保持一种固定姿态超过开关延时 计数时间，灯具则会自动关闭，引起灯具间歇式起停，影响学生学习。其三，当教室 人员稀少，人员的进出和移动会造成教室内所有相关灯管引起开闭行为。所以，需要 在此类照度感应开关的基础上开发更为智能化的照明控制方法和设备。 1 6 本论文的主要研究内容 本论文在分析智能照明控制系统的发展背景和应用优势的基础上，研究了目前较 成熟的集中智能照明控制系统的优缺点，提出了应用于大学教室智能照明控制系统的 设计方案，对系统的现场控制器及上位机管理系统进行了设计，并提出控制方案。论 文分为六个章节详细介绍了系统的设计内容，具体安排如下： 第一章研究了智能照明控制系统的发展背景及应用的优势，分析了智能照明控 制系统的网络结构和研究现状。并结合大学教室的实际情况，提出应用智能照明控制 系统的必要性。 第二章首先分析大学教室照明控制的现状，针对其弊端，提出本课题智能照明 控制系统的总体设计方案，并具体阐述了教室智能照明控制器、上位机系统及通讯网 络的设计方法。然后，详细说明了系统所实现的功能及控制过程。 第三章围绕第二章的总体设计方案，对系统的教室智能照明控制器进行了相应 的硬件电路设计，包括以M S P 4 3 0 F 1 4 9 为核心器件的单片机最小系统及数据采集模块 4 第一章绪论 的设计，重点研究了光照度传感器和红外人体感应传感器的设计及布局。接下来，设 计了系统的基于R S 一4 8 5 的通讯模块电路。 第四章根据第二章中教室智能照明控制器的功能，设计了系统各部分的软件， 包括控制器的初始化、模拟量和数字量数据采集模块程序及通讯模块程序等。并针对 系统的控制策略，提出了具体的实现方法。并且利用V i s u a lB a s i c 语言具体设计了上 位机管理系统，包括串行通讯的实现和人际界面的设计。 第五章在实验室环境下对系统进行测试，分析数据，并验证系统控制策略的可 行性。 第六章总结全文的研究工作和在系统设计中的经验，并指出系统需要完善的部 分。 第二章智能照明控制系统总体设计分析 第二章智能照明控制系统总体设计分析 2 1 大学教室照明控制现状 分析大学教室的用途，白天以上课为主，照明光源以自然光为主，人工照明为辅， 用以补偿在阴天或有遮挡时教室里照度不足的区域；中午及晚上以学生自习为主，少 数教室也用来上课，不管是上课或是自习，为了保护视力和提高学习效率，学生们均 需要有良好的照明环境，但这些对照明环境的要求也造成一个直接后果，出现资源的 浪费问题。所以，需要在保证教室照明要求的前提下，研究照明节能问题。 要实现照明节能主要有两种方法，一种是选用高效照明光源或灯具，如节能灯。 在保证照明质量的前提下，降低照明用电量的根本措施就在于提高照明设备的效率， 即提高光源与灯具的效率：另一种是在现有照明灯具的基础上研究智能照明控制策 略，即在充分研究照明对象的需求上，通过优化照明系统的运行来达到节能的效梨1 9 1 。 在照明灯具方面，大学教室多采用荧光灯，采用直接照明的方式，比较满足现有的需 求，所以本课题着重论述后面一种方法，改进照明控制策略和运行方式。 2 2 系统整体设计方案 考虑教室的照明节能，改进照明系统的运行，主要应关注两个方面，合理利用自 然光作为辅助光源和根据室内人数有效开启灯具数量，这样能够在保证照明质量的同 时有效避免能源的浪费。充分自然光能减少人工灯具的开启时间，关闭室内无人区域 的照明灯具带来的节能有两种方式：第一，当灯具关闭后，电能消耗减少了，这是很 直接的节能；第二，延长了灯管的寿命，减少了灯具的更换和维修费用。 针对大学教室主要用于学生上课和自习学习的特点，本课题提出一种网络化的教 室照明控制方案，兼顾个体灯具和教室全局的控制方案。整个照明控制系统由安装于 教室中的照明控制器、位于管理室的远程控制上位机以及通讯网络R S 4 8 5 总线构成， 整个系统的结构如图2 1 所示。教室照明控制器采用T I 公司的M S P 4 3 0 F 1 4 9 单片机为 中央处理器，上位机为P C 机，系统采用V i s u a lB a s i c 语言开发，以接收教室现场信息， 综合处理判断后，下发控制命令。 网络化的控制方式可以让管理员在远程上位机实时得到控制现场的信息，作为控 制的依据从教学楼的整体出发，同时也可以依据教室用途及教学楼的整体环境，比如： 可以根据教学楼里正常上课、自习、集中考试和假期等不同阶段，对所有的照明灯具 采取综合调控，实现较好的照明控制和节能效果。 7 北京化T 大学倾 学位女 一4 8 5 总线接第十拉制器接下十控潮器 直 幔* 一十控制 图2 - 1 教室照明控制系统结构吲 F i g2 1S t r u c t u r e o f l i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m i nc I n 2 2 1 教室智能照明控制器的设计 本方案中安装在每个教室里的智能控制器是以T I 公司的低功耗荦片机 M S P 4 3 0 F 1 4 9 为主控芯片的数据采集和处理装置，其结构如罔2 - 2 所示。【I I 电源模块、 复位模块、数据采集模块、通霸t 模块和执行模块等构成。控制器利用光照度传感器 来探测室内照度利用红外人体感应他感器探测室内是否有人，通过串口这些数据实 时发送到上位机，作为系统判断灯具开关时问及位置的主要依据。 f 复E 擞钮r 叫 几砑藕獗l 一 时钟模块卜_ 一 压西两湎稹n _ 一 r _ _ J _ 。一 I ! 度探测模块L + 一一L E D 指示灯 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 一 、一串 J j 媵口4 燃篱黔畦墅堕) 咂墅圈 ：、 堕：卜哑巫 图2 - 2 控制器结构削 F i g 2 - 2S t r u c t u r e o fc o n t r o l l e r 教窀控制器实现的主耍功能包括： ( 1 )具有模拟量采集功能，可以采集连续变化的光照度信号： ( 2 )具有数+ # 量采集功能，t 叮以判断高低电、F ，以用于判断教室内是否有人体 活动： ( 3 )通过串【1 实现与上位机的通讯，能实时发送现场信息并接收上位机的控制 命令： 第二章智能照明控制系统总体设计分析 ( 4 )执行模块根据上位机的控制命令能控制继电器的闭合与断开； ( 5 )除了通过接收上位机的命令做出控制外，控制器本身也有基本的照明控制 策略和功能。 2 2 2 上位机系统的设计 上位机采用P C 机，利用P C 机的R S 一2 3 2 接口通过R S 2 3 2 R S 4 8 5 转换装置接入 R S 一4 8 5 网络，实现与教室照明控制器的通讯。上位机是整个教室智能照明控制系统的 核心，其功能是接收教室控制器所发送的现场采集的数据，通过编写的照明控制策略 程序的判断，给出照明控制命令，并发送回教室控制器，从而控制照明灯具的开关。 其系统软件由V i s u a lB a s i c 语言开发，后台连接A c c e s s 数据库来存储和管理数据。通 过上位机的系统管理员还可以远程掌握教室现场的光照度、室内人数、灯具开关情况 等。 2 2 3 通讯网络的设计 系统的通讯网络设计实现远程控制和整体控制的基础。本课题利用M S P 4 3 0 F 1 4 9 的串行通讯功能和P C 机的串口，并考虑到系统的传输距离和稳定性的要求，设计了 利用R S 4 8 5 总线的通讯网络。 2 3 系统的功能设计 大学教室智能照明控制系统的设计要兼顾教室里师生的视觉舒适度和节能两个 方面。要满足师生的视觉要求，就必须充分掌握教室中的人的活动特点及其在不同时 期表现出的不同特征，经过长期调研，本文提出了基于教室人数的预测模型，作为教 室中控制照明设备的重要依据之一。要实现节能的目标，最根本的是要充分利用自然 光作为照明光源的补充，这就需要作到对教室中各区域光照度值的实时监测，而光照 度值也是控制照明设备的另一重要指标。概括起来，整个教室智能照明控制系统的功 能包括以下几个方面： ( 1 ) 现场数据的实时采集 位于教室现场的控制器通过光照度传感器和红外人体感应传感器器实时采集自 光照度和室内人体活动信息，通过控制器的单片机编程，定时将采集到的模拟量和开 关量数据转换为系统可以识别的数字量，并通过串口发送到上位机。 ( 2 ) 自动控制功能 系统上位机以控制器发送的现场数据为判断依据，并结合人数预测模型，综合判 9 j 匕京化工大学硕上学位论文 断后，给出控制命令，并通过R S 4 8 5 网络发送至控制器，控制器接收命令后对执行 模块的继电器做出控制，从而实现对教室现场照明设备的自动控制。 另外，除了接受上位机的控制外，位于教室现场的控制器在需要情况下也具有独 立的控制功能，即可以实现基本的照明控制。 ( 3 ) 通讯功能 每个教室的控制器都是通讯网络中的一个节点，都有独立的地址，能实现与上位 机系统的通讯，发送数据并接收命令。 2 4 系统的控制过程 整个智能照明控制系统的控制是基于对大学的作息规律和教学楼的运行情况的 合理分析上的。在控制策略上，因为上位机具有强大的数据处理、存储、逻辑判断等 功能，这为照明控制策略的开发提供了很大的发挥空间，本课题除了实现基本的照明 控制节能外，还尝试人数预测模型的方法，并对其做了进一步的论证。 系统总体上采用时间表控制策略，在教学楼的开放时段( 笔者所在大学为6 ： 3 0 2 2 ：3 0 ，包括寒暑假) 系统开始运行，其他时段停止运行，即所有的照明设备均关 闭。在运行阶段，又根据每学期不同课程安排将每个教室的时间分为两种状态：上课 时间和自习时间。 上课时间，因为一般学生人数较多，教室座位的利用率较高，系统只开启光照度 传感器的探测功能，即仅依据照度值来控制照明灯具，设定照度临界值，当自然光弱 或拉上窗帘时，就会低于该临界值，系统开启所有的照明灯具；当自然光线较强时， 就会高于该临界值，系统关闭所有的照明灯具，以自然光为光源，从而实现节能的目 的。 自习时间，由于室内学生流通性强，且人数不确定，极容易出现“长明灯”的现 象，所以研究节能非常必要。系统同时开启光照度传感器和红外人体感应传感器的探 测功能，只在室内自然光照度低于设定值且室内有人的情况下才开启照明灯具。而对 于确定灯具的开启数目及位置的判断，本课题提出了一种结合了红外人体感应传感器 的探测值和人数预测模型的综合判断方法。 因为校园里学生们的作息都具有一定的规律性，如吃饭时间、午休时间都相对固 定，所以表现在教室内自习的人数上也可能有一定的规律，基于上述猜想，笔者针对 中午时段，对某一教室做了长期观测，验证了该猜想，并通过数据分析得出了该时期 教室人数的一个与实际值较符合的预测模型。为了避免特殊情况的出现，采用红外人 体感应传感器的探测值和人数预测模型相结合的控制策略，来控制照明灯具的开启数 目及位置，具体的结合方法将在第四章中详细描述。 l O 第三章智能照明控制系统的硬件设计 第三章智能照明控制系统的硬件设计 3 1 教室智能照明控制器的微控制器选择 系统的功能和结构如前面章节所述，是一个基于微控制器的设计。在微控制器的 选择上采用T I 公司生产的M S P 4 3 0 系列单片机中的M S P 4 3 0 F 1 4 9 。 M S P 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器公司( W I ) 近几年开发的新一代单片机，该单片 机在设计上打破常规采用了全新的概念，由于其功能远远超过其他系列单片机的功能 因而又称之为混合型单片机。具有丰富的外设，且功耗很低，有非常广阔的应用范围。 M S P 4 3 0 系列单片机功能强大，片内资源极其丰富，包含时钟模块、端口、定时 器系列、比较器、串行通信模块、模数转换部件、数模转换部件、D M A 控制器、硬 件乘法器、F L A S H 存储模块、液晶驱动模块等。它们由数据总线、地址总线和控制 总线与C P U 相连，可以通过所有内存操作指令对它们进行控S i l t 2 0 1 。M S P 4 3 0 F 1 4 X 系 列单片机的内部结构如图3 1 所示。 图3 - 1M S P 4 3 0 F 1 4 X 单片机的结构图 2 q F i g 3 1S t r u c t u r eo fM S P 4 3 0 F 1 4 X 2 1 1 本系统选用M S P 4 3 0 F 1 4 9 型号单片机，主要是因为它具有如下特点： 单片机的供电电压较低，范围是1 8 V 3 6 v 。 具有灵活的时钟设置功能，包括3 2 k H z 的晶体方式、高频率晶体方式、谐振器 方式和外部时钟源方式，这样呵以根据功耗要求和速度要求进行灵活的时钟设置。 超低功耗，是目前其他单片机没有的特色。它在休眠的条件下工作的电流只有 北京化T 大学硕一l ：学位论文 0 8 衅，就是在2 2 v 、1M H z 条件下工作的电流只有2 8 0 p A 。 快速的唤醒时间，从休眠方式唤醒只需要6 p s 。 快速的指令执行时间，采用的是1 6 位的R I S C 结构，指令的执行时间只需要 1 5 0 n s 。 片内自带1 2 位的A D 转换器，具有采样保持和自动扫描特点，且片内提供参考 电压。 片内有两个1 6 位的定时器：T i m e rA 带有3 个捕获L t , 较寄存器，T i m e rB 带有 7 个捕获比较寄存器。 片内提供模拟信号比较器。 串口通信模块：U S A R T 0 、U S A R T l 。两个串口都可以通过软件选择设置成U A R T 方式或者S P I 方式，由于该系列单片机提供了两个串口，因此能为用户进行多机通信 设计提供方便。 片内提供较多的存储器。 提供P 1 P 6 共6 个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。在提供的外围数 据端口中，有两个端口具有中断功能，这样能丰富硬件系统的中断资源，也为实现多 任务系统提供方便。 具有代码保护功能，单片机的安全熔丝能对程序的代码进行保护。 具有J T A G 仿真调试接口，便于软件的调试【2 2 】。 M S P 4 3 0 F 1 4 9 单片机的低功耗和易于开发的特点符合照明控制系统的节能要求， 是较为理想的选择。 3 2M S P 4 3 0 F 1 4 9 单片机最小系统的设计 根据系统所要实现的照明控制功能，M S P 4 3 0 F 1 4 9 单片机的最小系统设计如图3 - 2 所示。主要由电源部分、晶振部分和复位部分构成。下面将详细介绍各部分的设计 【2 3 , 2 4 】 0 1 2 第三章智能照明控制系统的硬件设计 3 2 1 电源电路设计 图3 2M S P 4 3 0 F 1 4 9 单片机的最小系统 F i g 3 2M i n i m u ms y s t e mo fM C U M S P 4 3 0 F 1 4 9 为了实现低功耗的目标，电源设计是很重要的部分，M S P 4 3 0 F 1 4 9 的供电要求为 1 8 V 3 3 V ，一般采用3 3 V 供电。本系统中选用T I 公司的T P S 7 6 0 3 3 芯片来实现电压 转换的要求，为了使电源具有稳压和纹波小的特点，在输出部分加了一个2 2 I t F 和 0 1 t x F 的电容，在输入端也加了一个O 1 l x F 的电容，以实现滤波的功能，减小输入端 受到的干扰。电源电路的设计如图3 3 所示。 图3 - 3M S P 4 3 0 F 1 4 9 的电源电路 F i g 3 - 3P o w e rc i r c u i to fM S P 4 3 0 F14 9 1 3 北京化工大学硕十学位论文 3 2 2 复位电路设计 系统复位电路的作用是使系统得到充分复位，实现稳定可靠的工作。M S P 4 3 0 F 1 4 X 芯片的5 8 管脚是R S T N M I ，复位信号输入端不可屏蔽中断输入端，由软件选择该 管脚的功能，一般情况下为复位功能，当有充分时间的低电平输入时，系统就复位。 可采用R C 电路或复位芯片来实现复位功能。根据单片机复位条件设计复位电路如图 3 4 所示。 R S T 3 2 3 晶振电路设计 图3 4M S P 4 3 0 F 1 4 9 的复位电路 F i g 3 - 4R e s e tc i r c u i to f M S P 4 3 0 F 1 4 9 M S P 4 3 0 系列单片机的时钟模块由高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、数字控制 振荡器D C O 、锁频环合锁频环增强版本F L L + 等部件构成，输出3 中不同频率时钟 A C L K ( 辅助时钟) 、M C L K ( 主系统时钟) 和S M C L K ( 子系统时钟) ，给各不同需求 的模块提供时钟信号。 M S P 4 3 0 系列单片机由外部振荡器和内部D O C 振荡器产生振荡频率，外部晶振 可接低速的时钟晶振和高速的晶振，外部晶振失败时，D O C 振荡器会自动被选作时 钟源。微处理器可接两个外部晶体振荡器，低速晶体振荡器和高速晶体振动器。低速 晶体振荡器满足了低功耗及使用3 2 7 6 8 H z 晶振的要求，晶振只需要通过X I N 和X O U T 两个引脚连接，不需要其他外部器件。与低速晶体振荡器不同的是功耗较大，高速晶 体振动器需外接在和两个管脚，并且必须外接电容。晶振电路的设计如图3 5 所示。 C 4 图3 5M S P 4 3 0 F 1 4 9 的振荡电路 F i g 3 - 5O s c i l l a t i o nc i r c u i to fM S P 4 3 0 F 14 9 1 4 广已 第三章智能照明控制系统的硬件设计 3 3 数据采集模块的设计 为了对教室内灯具进行智能照明控制，必须借助传感器来检测使用环境中的光 照强度和室内占用情况等参数，来确定灯具的开关时刻及开关位置，以便在节能的同 时，为使用者提供较好的视觉舒适度。所以，用于照明控制的数据采集模块主要包括 教室内光照度采集和室内人体感应两部分。 3 3 1 室内光照度采集 3 3 1 1 光照度探测研究 光照度是指物体表面被照明的程度。由发光体发出的光能，在单位时间内通过某 一截面的光能数量，叫光通量。光通量的数量越大，即表示该发光体所发出的可见光 就越强。光通量的计数单位以流明表示。照度为照射到表面一点处的面元上的光通量 除以该面元的面积。照度的符号为E ( E v ) ；单位为勒克斯( 流明单位面积) ，符号为 l x ，l l x = l l 耐。其数学表达式为： E v = 鲁 其中，f o 光通量，A 面积。 要实现室内照明的节能，最根本的问题是要充分的利用自然光，从而减少电能的 消耗。自然光的照度与天气情况、太阳角度、建筑机构、窗户的大小及朝向、测量地 点及时问等都有密切的关系。我国幅员辽阔，不同地域的不同季节自然光照度都有不 同的值。以南宁为例，据测量，1 9 9 3 年中，该市晴天的光照度规律为：夏季中4 9 月 份中午前后的照度超过9 万l x ，5 8 月中午前后的光照度超过1 0 万l x ，冬季关照度明 显减弱，1 2 月份中午时刻不到7 万l x 。阴天由于受云层影响，照度与晴天相比大为减 弱。5 - 9 月份中午前后的照度在3 5 万l x ，冬季的照度更弱，2 万l x 左右。而光照度 的日变化规律表现为：平均照度( 综合晴昙阴三种天气类型下) 的日变化比晴天小， 比阴天大。升降速率为1 1 5 万l x 【2 5 1 。因为建筑物墙面的阻挡等原因，透过窗户照射 到室内的光照度要远低于室外，但晴天时大部分时问还是满足人眼的视觉要求的。 不同天气情况对自然光照度影响不同，一般变化情况如表3 1 所示。 表3 - 1 自然光照度概述 T a b l e 3 1O v e r v i e wo fn a t u r a li l l u m i n a t i o n 气候照度 夏日中午太阳直射照度 露天地面 树阴 10 0 ，0 0 0 1 x 10 0 0 0 0 1 x 10 ，0 0 0 I x 北京化工大学硕士学位论文 无云晴天( 蓝天) ， 薄云阴天 ： 稍安阴天 暗雨天 建筑物阴影 室外接近窗户区域 室内窗边 明亮室内 阴暗室内 房屋巾心 人工光源的亮度用光通量来表示，不同类型的人工光源的光通量比较如表? 所 示。照度是背光照射物体单位面积上所受的光通量，所以，同一光源在不同距离将 产生不同的照度，距离越长，照度将越小。常见的人工光源的光通量可概括为表3 2 表3 - 2 人工光源光通量概述 T a b l e 3 - 2O v e r v i e wo fa r t i f i c i a ll i g h tf l u x 3 3 1 2 光照度传感器的选择 探测室内光照度要用到光照度传感器。光照度传感器采用光敏探测器，将光照强 度转换为电流信号，再经过运算放大器转换为电压信号输出。 为便于系统的开发及提高可靠性，本课题选用市场上已有成形的光照度变送器， 如图3 - 6 所示，其主要技术指标为： 供电电压：1 2 V D C 准确度：士7 波长范围：3 8 0 n m 7 3 0 n m 测量范围：0 - - - 2 0 0 0 I x ( 室内型照度测量) 输出范围：肛5 V 操作环境温湿度：O 4 0 ，o 7 0 R H ； 1 6 一一一肿瑚眦 “脏舢吣曩z， ， 0 们L ； 第= 章智能照目控制系统白勺硬件口* 圈3 - 6 光照度蹙送器实物图 F i 邸6 I l l u m i n a n c e t r a n s m i t t e r d i a g r a m 罔光照度变送器与M s P 4 3 0 F 1 4 9 单片机的接口电路如图3 7 所示。光照度变送器 的输出为0 5 v 的连续变化的电压信号，需要接入M S P 4 3 0 F 1 4 9 的A D 采集通道P 60 口，因为A D 转换中采用的参考电压是25 V ，所以需要对光照度变送器O U T 管脚输 出的电压信号进行分压处理。 M S F 4 ，浒1 4 9 图3 - 7 光照度变送器与M S P 4 3 0 F 1 4 9 的连接简图 F i g 3 - 7 C o n n e c t i o nd i a g r a m o f i l l u m i n a n c e n a n s m i t e r w i t h M C U M S P 4 3 0 F 1 4 9 3 3 1 3 光照度传感器的布局 本系统的控制对象为火学教窄，教室中一般只有边有窗户，室内不同区域由于 距离窗户的远近不同会影响其接收的光照多少。要合理控制教室内的照度，必须科学 探测室内自然光的照度。而自然光的变化有明显的非线性，是与天气的变化和建筑物 的不同位置有密切关系的。所以，必须合理布置光照度传感器的位置，才可以更好的 反映实际情况。 为了充分利用自然光，现有的相关研究中，多数文献采用的方式是在室内安装照 度传感器束探测室内光照度的变化，作为控制灯具开关的依据，从而实现：当自然