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教室照明智能控制的设计与开发 摘要 本课题主要是针对高校教学楼照明管理中电能浪费的现象，设计了教学楼 智能照明系统，通过智能化控制实现节电目标。 教室照明的智能控制主要是从教室照明的要求，控制方式，控制手段入手 来实现。针对我国目前大中专院校的教室特点，采用单片机及网络技术，设计 实现了教室光照、教室温度、教室内学生人数等现场计量与远程传输，并通过 上位p c 机进行教学楼照明系统的监控。 整个控制系统是由一个主控中心、多个分控中心和更多的单元节点组成的 三层两级网络。这种控制系统的设想是能够适应一个相对集中的建筑群中有多 个建筑需集散控制的情况。 本课题将网络技术和照明智能控制结合起来，具体论述了系统各组成部分 包括硬件和软件的结构、功能及实现方法，最后运用组态王建立了一个教室状 态监控系统。 关键词：智能控制，网络技术，r s 4 8 5 ，c a n 总线，组态王 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc l a s s r o o m l i g h t i n gc o n t r o l a b s t r a c t i nc a m p u s ，l i g h t si nc l a s s r o o m sw a s t el o t so fp o w e rf o rt h ea b s e n c 七o fg o o d m a n a g e m e n t i no r d e rt o c u tt h eu n n e c e s s a r yp o w e rc o n s u m p t i o n , a i li n t e l l i g e n t l i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dh e r e t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o li sa c h i e v e db yu s i n gs o m es p e c i f i cc o n t r o lp o l i c i e sa n d m e t h o d s 、】l r i t hr e s p e c tt ot h ed e m a n do f c l a s s r o o m sl i g h t i n g a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e s o fc o l l e g ec l a s s r o o m s ，w i t ht h eu s i n go fm c ua n dn e t w o r k st e c h n o l o g y , t h i ss y s t e m c a na c q u i r et h el i g h ta n dt e m p e r a t u r eo fc l a s s r o o m sa n ds t u d e n tn u m b e r s t h e a c q u i r e di n f o r m a t i o nc a nb es e n tt or e m o t ec o m p u t e r sf o rr e a l t i m em o n i t o r i n g t h eo v e r a l ls y s t e mi sat h r e e l e v e lt w o - s t a g en e t w o r ka r c h i t e c t u r ew h i c hi s c o m p o s e do f am a i nc o n t r o ln o d e ，s o m es u b - c o n t r o ln o d e sa n dal a r g ea m o u n to f u n i t n o d e s t h i sd e s i g ni ss u i t a b l et oc o n t r o ld i s t r i b u t e db u i l d i n g si nar e l a t i v ec l o s e d b u i l d i n gg r o u p t h i sp r o j e c tc o m b i n e sn e t w o r k st e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r 0 1 c o m p o n e n t so ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t - w a r e s t r u c t u r e s ，f u n c t i o n sa n dh o wt or e a l i z ei t t h e nag r a p h i cc l a s s r o o mm o n i t o r i n g s y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n gk i n g v i e w k e y w o r d s ：l i g h t i n gc o n t r o l ，n e t w o r k st e c h n o l o g y , r s 4 8 5 ，c a nb u s ，k i n g v i e w 图2 1 系统组成框图 插图清单 图2 2 教室控制器的组成框图 图2 3 教室控制器面板显示图 图2 4 楼层控制器的组成框图 图2 5 楼层控制器显示板图 图2 6 系统的工作简图 图3 1 教室内日光灯的布局 图3 2 教室采光情况 。1 0 。1 3 。1 3 。1 3 1 4 。1 5 。1 6 图3 3 光照测量电路原理图。 图3 4 光照采集流程图。 图3 5 红外发送接收原理图。 图3 6 学生人数统计流程图 图3 7 按键原理图 图3 8p i c l 8 f 4 5 8 与c a n 和r s 4 8 5 总线的接口原理图 图3 9 楼层控制器主监控程序流程图 图3 1 0r s 2 3 2 c 标准通讯系统的结构 。1 7 。1 8 。1 9 2 0 图3 1 1 系统网络结构2 3 图3 1 2r s 4 8 5 总线的系统组成图2 4 图3 1 3c a n 总线的系统组成2 5 图3 1 4 楼层控制器接收c a n 报文中断处理流程图。 图4 1 组态王与外部设备通讯 图4 2d d e 工作原理与结构 图5 1 灯控制的基本流程图 图5 2 登录界面 图5 3 监控主画面 图5 4 教室内部画面 图5 5 报警界面 图5 6 变量的报警定义 图5 7 报警配置。 2 7 3 2 3 4 4 3 4 5 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 4 9 图5 8 数据库查询界面 图5 9k v d b g r i d 控件查询条件对话框。 图5 1 0 历史曲线界面 图5 1 1 实时报表 图5 1 2 历史报表。 5 0 5 0 表格清单 表5 1 自习教室内目光灯的开关情况 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金a b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： - 5 艾k签字日期：z 一年卑月2 0e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 日b 王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：弓义苫 签字日期：司年月弘e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：絮岛好自讯调 通讯地址：上三龟编u 1 蝴 导师签名： 膨饬 签字日期：刁牵年月知日 电话： 邮编： 致谢 至此论文结束之际，首先要衷心感谢我的导师陈梅老师。感谢陈老师在两 年多的学习和生活上她给予我无微不至的关怀，爱护和帮助。本文的工作是在 陈老师精心指导下完成的，论文的选题、设计、研究工作以及撰写都得到陈老 师悉心指导。陈老师的细心教导，使我的科研能力得到了较大的提高，学会了 处理事情的方式。此外，陈老师渊博的知识、严谨的学风、一丝不苟的治学态 度都将使我受益匪浅。 感谢李鑫老师，在实验室二年多的时间里，李老师在学习中都给予我巨大 的帮助，在此表示深深的谢意。 感谢顾威、余俊以及实验室的其他同学这几年给予我的帮助，以及所有曾 经帮助过我、关心过我的老师和同学，在这里对您们表示衷心的感谢。 最后，感谢我的亲人，他们精神上的鼓励、生活上的关心、经济上的支持 使我能顺利完成学业，在我心底充满了对他们的深深感激。 冯义飞 2 0 0 7 年3 月 1 1 课题背景 第一章绪论 在传统的楼宇控制系统中，一般只包括综合布线、计算机网络、安防、消防 等子系统。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科 学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。相对 商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对 比重更多。因此，选择合理的照明方案，配置先进的控制系统，不仅体现在节约 能源，降低学校运行费用，提高学校的科学管理水准，而且具有极大的经济意义 和社会效益。在一些欧美发达国家，照明系统的智能化控制已成为现代化学校不 可分割的组成部分，而且应用范围越来越广【6 】。因此，很有必要对学校教室照 明进行智能控制管理。 目前，高校教学楼照明用电的管理基本是处于一种粗放式的管理状态。其管 理一般为下列三种模式：一是无专人管理，由学生自行控制开启，再由值日学生 在中午、下午和晚自习后关闭灯具；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关 闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情 况分层送电。 对教学楼照明管理的要求是在充分保证教室的照度的前提下，尽可能地节约 电能。上述的三种管理模式都不同程度地存在着缺陷，而造成电能的浪费。第一 种模式的特点是可以灵活地满足不同季节、天气、楼层和朝向的照度要求，控制 简单，是常用的一种方式，但也是最为浪费电能的一种方式，因为在强光下人眼 对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的存在，这 是造成白天长明灯的主要原因。如果值日人员责任心不强，还会造成休息时间和 夜晚的长明灯。第二种模式比上一种模式在节能方面有很大的提高，但其致命缺 点是无法及时地保证各个教室的照度，因为自然光照不仅受时间、季节等已知因 素的影响，而且还要受天气、楼层和朝向等具体因素的影响。这种模式难以满足 管理要求，要么是以牺牲学生视力为代价，要么是节能效果不明显。第三种模式 在照度和节能两方面都大为提高，但占用的人员数量较多，而且控制的准确程度 受人员的习惯所影响，难以做到科学和准确，同时容易受管理人员责任心的影响， 甚至会出现整个教学楼的长明灯而造成更大的浪费。 根据我们不完全统计：8 0 的教学楼存在着在白天光照良好的情况下，教室 灯具开启和在午休时间长明灯的现象。一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但 从整个学校来看的话，却是一个不小的数字。以我校主教学楼为例：由于每个教 学楼的教室大小不一，我们取中等教室主1 1 0 ，该教室总共有1 8 盏日光灯，每 个日光灯为4 0 瓦，每层楼有3 0 个教室，共有六层，则整个教学楼教室内照明灯 具负荷共计约为1 3 0 k w ，再加上走廊照明和线路损耗，整个大学教学楼照明灯 具负荷约为2 0 0 k w ，每天如果按长明灯2 小时计算( 这是保守的估计) ，l 天就 浪费电能4 0 0 千瓦时，以合肥地区电费o 5 5 元千瓦时计算，折合电费2 2 0 元。 再以学生一年在校9 个月计算，一年将浪费电能l o 8 0 万度，折合电费5 9 ，4 0 0 0 0 元。如果加上线路损耗和灯具长时间使用造成的损坏，费用还要高许多。这种粗 放管理带来的电能浪费和高校后勤管理费用的增加就显而易见了。 以上是对一所大学情况的简单分析，而目前全国各地高校共有1 6 8 4 所( 来 源于中国高校网) ，每所高校不止一幢教学楼，以平均每所高校有三幢教学楼来 算，高校每年的电能浪费约为5 4 5 6 1 6 万千瓦时，折合电费浪费高达3 0 0 0 8 8 8 万 元，真是“不算不知道，一算吓一跳”，电能浪费量是何等的惊人! 我国是能源 短缺大国，电力缺口也很大。虽然各地高校被拉闸限电的现象发生较少，但随着 燃煤和石油价格的年年攀升，势必会带来发电成本的增加，因此节约电能不仅有 利于社会，也有利于高校本身。我国各级政府也在积极倡导市民“空调温度调 高一度”的行动，采取城市“关闭景观灯”、“路灯交叉开闭”等多项措施。北京 师范大学就向全校发出：“白天要不开或少开灯，开灯场所要做到人走灯灭，杜 绝长明灯”的号召。造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱以外，另一个更为 重要的原因就是节电的硬件设备跟不上。着眼于整个学校的大局和全社会能源短 缺的大环境，高校教学楼照明灯的智能化管理改革势在必行，也为我们提出了紧 迫的课题。 照明节能主要有两种途径：一是选用高效电光源和灯具。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；另一种是在现有灯具的基础上使用智能照明控制系统，即通过优化 照明系统的运行来达到节能的效果。本文着重论述后面一种。 1 2 智能照明控制系统的优越性 与传统的粗放式的管理状态相比，智能管理系统具有总体拥有成本低( 一次 费用较高，但运行维护费用低) 、维护方便( 单个部件损坏不影响系统的整体性能) 、 功能丰富( 可实现灯光的任意组合) 、优异的可扩展性( 软件设置即可) 、便于系统 集成( 配有通讯单元) 等特点。其主要优越性具体表现有以下几点： 达到良好的节能效果，延长灯具寿命 节能是照明控制系统的最大优势。传统的照明工作模式，只能是白天开灯， 晚上关灯。而采用了智能照明控制系统后，我们可以根据不同场合、不同的人流 量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。 同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。控制系统实现了不同工作 场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间， 2 节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。 改善工作环境，提高工作效率 良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及 性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调 光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均 匀性。同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。 实现多种的照明效果 多种照明控制方式，可以使同一建筑物具备多种艺术效果，为建筑增色不少。 现代建筑物中，照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控 制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。一栋建 筑物中，室外景观照明、泛光照明可以预设为春夏秋冬四季变化，周末节假日场 景，大型庆典场景；会客厅、会议室等可以预设会议、投影、会间休息等不同场 景。在传统的人工控制方式下，难以实现如此多种多样的照明效果。 提高管理水平 智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况 下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能。既大大减少了管理 人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、 生活秩序的情况出现。 较好的投资收益效果 虽然智能照明系统最基本的功能是开关，似乎与传统的照明系统并无二致。 但前者以自动控制为主、人工控制为辅，而智能照明控制系统减少灯具使用时间 和管理费用的同时，能有效节约能源。根据一般办公大楼的运营经验，节能效果 能达到4 0 以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到2 5 - 3 0 7 ； 学校在这方面还没有得到具体的统计数据，但根据分析，效果还是令人满意的。 由于我国以前的粗放型经济的增长方式己经导致资源匾乏，这种一味地靠资源和 牺牲环境来换取g d p 的增长的外延扩展方式已经走到尽头，所以调整产业结构， 在照明行业推广智能照明系统具有重要的意义。 1 3 本文研究的内容 本文分六章对设计内容进行了详细介绍，各章节安排如下： 第一章绪论 简要介绍了传统教学楼照明的管理情况以及智能照明控制系统的优越性，提 出了研究课题，介绍了论文的章节安排。 第二章系统总体设计方案 本章首先提出该控制系统的总体组成，简要概述系统网络结构及各个控制单 元，然后对整个系统要实现的功能进行阐述，最后介绍了整个控制系统的工作过 程。 第三章教室照明智能监控子系统的设计与实现 本章主要是对系统中教室控制器、楼层控制器、通讯网络进行设计。在教室 控制器中重点研究了光敏传感器、红外传感器；在楼层控制器中主要设计实现了 其中转功能；在网络模块中提出了设计方案，并设计出r s 4 8 5 和c a n 两级网络 的通讯。 第四章组态软件与组态王 本章首先主要对组态软件技术进行了介绍，并对目前流行的几种组态软件进 行了对比分析，最后详细研究组态王与c a n 总线的连接，组态王与a c c e s s 数 据库的数据交换以及多个相同对象共用同一画面的设计。 第五章上位机监控系统的设计 本章主要研究利用组态王监控软件设计实现教室用电设备状态的检测、教室 学生人数、光照等的采集，以及故障报警、数据库查询、曲线显示、报表统计、 打印等功能。 第六章结论与展望 总结了作者所做的研究工作，以及在系统软硬件设计中得到的经验，并指出 了需改进的地方。 4 第二章系统总体设计方案 本系统主要针对学校教室采用计算机进行监控所做的一些工作，主要是教室 用电设备管理的自动化系统。可以做到教室用电设备的远程监控，教室学生人数 的统计，教室使用状态的监控，各种查询以及自动报警等自动化功能。设计的目 标是实现照明控制系统的智能化、科学管理和节省能源等。 2 1 系统的总体组成 本系统采用基于r s 4 8 5 和c a n 总线的分布式集散控制系统对学校教学楼用 电设备进行控制和管理。整个系统采用三级两层网络构成，即教室控制级、楼层 控制级、主控上位机级以及c a n 网络、r s 4 8 5 网络。教室控制级和楼层控制级 采用的是以p i c 系列单片机为中央处理器的控制系统。主控上位机级则使用的是 北京亚控公司提供的组态王，在组态王提供的编程环境下编制了上位机监控程 序，可以实现对教室内的教室控制器所采集到的信息的接收、处理，并且利用组 态王提供的全中文、图形化、动态化的监控界面，从而可以很轻松的实现教室用 电状况、学生人数等信息的实时监控和统计。对于网络部分，在教室同一楼层采 用r s 4 8 5 标准构建的数据采集网络，而在楼层与监控中心( 主控上位机) 之间 采用c a n 网络进行通讯，系统整体组成框图如图2 1 所示。 楼层控制器 图2 1 系统组成框图 下面具体阐述系统各控制单元和网络结构。 2 1 1 教室控制器 每个教室安装的智能终端是以单片机p i c l 8 f 4 5 8 为核心的数据采集和处理 装置，它直接与各种i o 设备( 如温度传感器、光敏传感器、继电器、红外传感 器、无接触i c 卡、蜂鸣器等) 相连，通过这些i o 接口，m c u 实时采集它们 发送的数据，经计算并保存在内部存储器内，根据内部总线管理，上传教室控制 器。每个教室控制器都是由电源模块、通讯模块和若干个智能终端模块组成。智 能终端模块采用了积木式的组合结构，可以根据不同的需要选用不同的智能终端 模块进行组合，其组成框图如图2 2 所示。同时为了便于现场对用电设备进行开 关操作，在每个教室安装了一个控制面板，其布局如图2 3 所示。 电源模块i - 1 复位按钮b i 地址编码设定b i 温度传感器l i 光敏传感器l _ 中央处理器 三引苎苎里垄堑l i 光敏传感器2lc p u l 光敏传寤罂3i - - , n c l 8 f 懈 丽i 引竺笙些l i 红外传寤器li - - , 亟母屯卧l l 红外传寤嚣2i - - h 按键 1 - 卜匝亘h 到 图2 2 教室控制器的组成框图 图2 3 教室控制器面板显示图 6 无 接 触 i c 七 接 口 由图2 3 知，安装在教室内的教室控制器控制面板由数码管和开关按钮组 成。其中数码管分别显示用电设备的开或关( o 为关闭日光灯和或风扇，l 为开 启日光灯和或风扇) 、开启或关闭的日光灯组( 例如开启或关闭第一组日光灯则 显示1 ，开启或关闭第二组日光灯则显示2 ，依次类推) 、开启或关闭的风扇组： 而按键则执行打开或关闭用电设备操作。 此外，为方便教室使用网络功能还可以预制网络接口，现在大多采用光纤连 接的局域网，在教室的教室控制器系统中加装网线的接口，教室通过管理中心的 服务器可以直接连接入互联网，为教室提供方便的网络信息服务。 2 1 2 楼层控制器 楼层控制器是主控上位机和教室控制器的中继与桥梁，同时具有c a n 接口 和r s 4 8 5 接口。它根据主控上位机的指令来读取各个教室控制器中所采集的教 室的信息，并通过网络将上位机发送的指令传给教室控制器，以控制教室内用电 设备的开或关。楼层控制器还具有对教室控制器中所采集到的信息做基本显示的 功能，例如显示教室状态( 空或满) ，以及控制整个楼层用电设备的开关，其组 成框图如图2 4 所示。此外，为了学生方便、快捷的了解各个教室的状况，我们 在每一层楼的楼梯口安装了一个显示板来显示楼层中各个教室的基本信息，其显 示板的布局如图2 5 所示。 中央处理器 c p u c 1 8 f 4 5 8 图2 4 楼层控制器的组成框图 由图2 4 可知，楼层控制器和教室控制器类似，也是由电源模块、通讯模块 和i o 模块组成。输入设备中的按键可以开启或关闭整层楼用电设备。输出设备 中的l e d 指示灯有两种功能：一种l e d 作为是否发生通讯( 在楼层控制器显示 板中没有显示出来) 的指示，另一种则作为教室用电设备状态指示( 是否有用电 设备在使用电) 、教室状态指示( 空或满，其中教室满则表示该教室在上课或自 习的人数已达教室的可容纳人数的一半) 。通讯部分则同时具有c a n 通讯接口和 r s 4 8 5 通讯接口，c a n 通讯接口是连接楼层控制器与主控上位机之间的通讯， r s 4 8 5 通讯接口是连接楼层控制器与教室控制器之间的通讯。 2 1 3 主控上位机 图2 5 楼层控制器显示板图 主控上位机采用常用的p c 机，在p c 机上配置c a n 总线适配卡，用于同 c a n 总线相连，实现与楼层控制器的通讯。主控上位机是整个智能教室控制系 统的控制中心，其功能是将单片机子站及c a n 子站送来的信号进行处理，按要 求控制输出单元，可自动或手动对各控制装置发出指令，并可按要求进行各类参 数画面显示。其管理软件由监控软件组态王k i n g v i e w 6 5 和a c c e s s 数据库构 成，通过组态监控画面进行远程控制及信息显示。根据教室控制器传来的信息， 上位机可以方便、快捷的了解各个被控教室的用电状况、学生人数等，然后根据 这些信息及时打开或关闭用电设备，从而达到了节能的目的。此外，通过组态王 的事件记录功能，把所采集到的信息通过o d b c 记录到a c c e s s 数据库中，为 以后问题的分析提供了方面。 2 1 4 通讯网络 整个系统的网络是智能教室的重要组成部分，所有的教室控制器和楼层控制 器都需要构筑在网络及通信的平台上。本系统利用计算机的串行口和单片机的串 行通讯的功能，采用r s 4 8 5 总线网络和c a n 总线网络分别实现单片机与单片机， 计算机与单片机之间的通讯。 2 2 系统的功能 智能教室监控系统的设计的目的就是为了实现教室用电设备的监控以及教 室学生人数的采集，归根到底就是实现节电的目的。在设计过程中，将整个系统 分为了上述的四个部分，系统可以实现的功能则可以概括为以下几个方面： 数据的远程实时采集 系统的前端机教室控制器具有自动循环采集和命令采集两种模式。自动定时 采集就是前端机教室控制器可以根据内部时钟设置对教室进行循环采集数据。命 令采集模式是指当教室管理人员发出数据采集命令后，先由c a n 通信信道将信 息传送到楼层控制器，楼层控制器经r s 4 8 5 通信信道传送到教室控制器，最后 根据需要采集相应的数据。 教室远端控制功能 系统采用了原有的教室控制系统，本身就具有相当的自动化程度，在此基础 上的教室远程监控系统可以根据采集到的数据对教室实施相应的命令，使得教室 的用电设备能够及时地开或关。 教室用电实时状态模拟功能 我们采用组态软件进行二次开发，实现接收各教室控制器的信号，并进行记 录和数据统计。我们提供了全中文、图形化、动态的监控界面，在计算机屏幕上 分别显示出若干幅画面，将教室用电情况、学生人数等信息在相应画面上显示出 来。 2 3 系统的工作过程 本系统的工作过程包括两个部分，一部分为教室控制器对各个参数的采集， 并进行初步处理。此部分主要是采集传感器信号，开关量信号并经由单片机收集 处理，送至存储器。另一部分是主控上位机数据的采集、处理。主控上位机的信 息采集是由组态监控软件组态王采用d d e 方式从c a n 适配卡中获取楼层控制 器传来的数据，而楼层控制器的数据是通过r s 4 8 5 通讯从教室控制器获取教室 的信息。反之，主控上位机对教室用电设备发出命令时，则是主控上位机通过 c a n 总线把命令传给楼层控制器，然后再由楼层控制器经r s 4 8 5 通讯把主控上 位机的命令传至教室控制器，教室控制器根据上位机的命令做出相应的动作。最 后通过组态王自身的图形界面制作功能和动态连接特性，对系统运行情况及各性 能参数进行处理，生动的表现于上位机界面。本系统的工作简图如2 6 所示。 9 输入的各参数信号 图2 6 系统的工作简图 1 0 第三章教室照明智能监控子系统的设计与实现 3 1 教室控制器的设计 教室控制器是教室照明智能控制系统中最重要的部分之一，它负责采集所需 的信号并存储于存储器中，通过通讯网络将用户的信息提供给主控上位机，是直 接与教室联系的部分，是后续数据处理的基本条件。信号采集的准确度，采样的 时间，都必须严格保证才能给主控上位机提供有效的数据，要做到计量的准确可 靠才能保证整个系统的正常运行，这是发挥系统最大功能的重要因素。 本系统中教室控制器得主要功能有： ( 1 ) 具有模拟量采集功能，可以采集o 5 v 的模拟量； ( 2 ) 数字温度传感器采集教室温度； ( 3 ) 热释电红外传感器采集教室内学生人数； ( 4 ) 无接触i c 卡采集学生信息； ( 5 ) 数码管输出指示教室内用电设备的开关组； ( 6 ) 通过r s 4 8 5 总线完成与楼层控制器的通讯： ( 7 ) 可以接收上位机的命令并实现相应的控制输出； ( 8 ) 可以通过按键现场控制教室用电设备的开关。 3 1 1 教室控制器的核心器件选择 目前市场上流行的单片机型号繁多，如何选择一款合适的单片机对于系统的 设计来说非常重要。我们选用p i c l 8 f 4 5 8 单片机，主要是因为它具有如下优点： ( 1 ) 具有高性能砒s c c p u 高达2 m b 的程序存储器，高达4 k b 的数据存储器，高达1 0m i p s 的执行速 度，d c 4 0 m h z 的时钟输入以及4 1 0 m h z 带p l l 锁相环有源晶振时钟输入； 1 6 位宽指令，8 位宽数据通道；带优先级的中断；8 x 8 单周期硬件乘法器。 ( 2 ) 外围功能模块特性 最大拉电流灌电流可达2 5 m a ，可以直接驱动l e d ，3 个外部中断引脚。 定时器t m r 0 带8 位可编程前分频器8 位或1 6 位定时器计数器。定时器t m r l 是1 6 位定时器计数器。定时器t m r 2 带有8 位周期寄存器的8 位定时器计数 器( 作为p w m 的时基) 。定时器t m r 3 为1 6 位定时器计数器。2 种震荡时钟 选择：定时器t m r l 、定时器t m r 3 。有两种工作方式的主同步串行通信( m s s p ) ： 3 线s p i 主控方式，1 2 c 主控从动方式。可寻址的u s a r t 模块：支持中断地址 位。高级的模数转换特性：1 0 位，高达8 个通道的模数转换模块( 休眠时可 以转换，8 个输入通道可用) ，模拟比较模块，c a n 总线模块特性，特殊的单片 机特性：上电复位，上电延时定时器和振荡器起振定时器，带有片内r c 振荡器 的监视定时器( w d t ) ，可选择不同的振荡器工作方式，通过2 个引脚可进行在 线串行编程。 ( 3 ) f l a s h 技术 低功耗、高速增强型f l a s h 技术，全静态设计，宽范围的工作电压2 o 5 5 v ，工业级和扩展级温度范围，低功耗。 ( 4 ) 监视定时器w d t p i c l 8 f 4 5 8 的w d t 计时脉冲由片内单独的r c 振荡器产生，因此它不需要 任何外部器件。w d t 的r c 振荡器与接在o s c i 引脚上的r c 振荡器无关，即使 在o s c l 和o s c 2 引脚上的时钟停止，监视定时器w d t 仍然计时运行。在正常 工作期间，一次w d t 定时时间到将产生一次器件复位。通过配置系统的配置寄 存器可以激活或关闭监视定时器。可以通过软件来完成这个功能。 3 1 2 光敏传感器的设计 教室光照强度是控制教室内用电设备开或关的重要因素，也是节约电能的手 段之一，下面将研究设计光敏传感器。 光电探测器在教室中的布局 考虑到教室内距离窗户远近不同，接受的日光强度不同的特点，为避免光电 探测器受光面小的缺点，应在教室周围进行合理地分布光电探测器，用于探测自 然光的强弱。根据我校主楼教学楼教室中日光灯的分布情况如图3 1 所示，那么 光电探测器在教室中的布局则根据此分布情况进行安置，即在每个区域的远离窗 户最远的地方安放一个光电探测器。每个区域的日光灯则由安置在教室内的按键 或远端的主控上位机来控制。此外，相邻两个区域装置的探测范围都有一定的重 叠以确保当有人在两个区域中间学习时能够得到足够的光强。这样，当外界环境 中的自然光能满足所需的光照度时，不管教室是否有人，教室灯都不亮，控制教 室日光灯的自动熄灭。当教室要作特殊使用时( 如多媒体教学) ，则拉上窗帘，关 闭所有的灯具或点亮少许微弱的灯具。当教室光强不够，教室中有一个同学单独 处于某一个区域中时，只有他周围的日光灯亮；当再有人来这个教室时他们完全 可以选择亮灯的地方坐，若选择其他区域情况类似。这样就完成了教室照明智能 控制，起到了节约电能的作用。图3 2 则体现了考虑因教室的走向与太阳光的夹 角不同而造成亮暗区位置不同对光电探测装置布局造成的影响。 1 2 暗区亮区 略区 r 0 时，i = v c c r 。即负载电流与光敏电阻无关，近似为常数。此 时为恒流偏置。 ( 2 ) 当r 3 0 0 q 接收器最大承受士2 5 v 的信号电平 接收器输入阻抗：3 k q 7 k q 数据传送速率局限在2 0 k b s 一次 传送距离局限在1 5 m 以内。 由此可见，r s 2 3 2 c 是为数据设备以相对较慢的数据速率( 2 0 k b s ) 在较短的 距离内( 典型值为1 5 m ) 进行单端数据传输定制的。目前在教室照明智能控制系 统网络的应用趋于淘汰。 r s 4 8 5 标准 在智能教室底层网络中，为了减少系统由于布线带来的成本，采用基于电力 线载波布线，这样信号和强电在同一根线上传输，传输过程中不可避免地存在强 电场的干扰，信号的可靠性受到影响，而且随着传输距离的增大，信号的衰减较 快，我们已知r s 2 3 2 c 总线存在可靠性、速率和传输距离等因素，所以一般不予 采纳r s 2 3 2 c 总线。基于r s 4 8 5 的教室控制系统是较为理想的一种远程控制系统， 该总线网络技术成熟，结构简单，可靠性较高，良好的抗噪声干扰性、长的传输 距离和多站能力等优点，它采用主从式的通信方式，任何时候只允许一个节点向 网络发送数据，所以r s 4 8 5 采用的主从结构命令型通信方式可以防止数据通讯 故障，数据通信时必须由主节点接收到管理主机的命令，然后由主节点向各个从 节点传达命令，从节点的数据依次送至主节点，最后再由主节点将各从节点的数 据发送至管理主机。 但是，r s 4 8 5 只规定了平衡驱动器和接收器的电特性而没有规定接插件传输 电缆和应用层通信协议，使用时存在总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠 性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的 节点少、应用不灵活等缺点，同时数据的容错没有考虑，其容错和应用层的协议 完全仰赖软件的支持，这就增加了系统通讯软件的负担。r s 4 8 5 总线多采用单主 机的工作方式，若令其工作在多主方式，则其通讯的可靠性与通讯网络的负荷量 2 1 成反比。特别是当系统节点工作在多种通讯模式下时，通讯的失误率与重发率将 随着网络负荷量的增长而成倍增长，如果主节点出现故障，则整个系统会陷入瘫 痪状态。此外，r s 4 8 5 收发器件中收发缓冲区比较小，这也不利于由它构成的网 络长期处于长子串或连续的收发状态。不过，由于r s 4 8 5 具有相当高噪声抑制、 相对高的传输速率、传输距离较远和宽共模范围的通信平台，因此在小系统网络 中有着广泛的应用。 c a n 总线 基于r s 2 3 2 c 和i 峪4 8 5 总线技术的缺陷，采用现场总线技术构成数字化、开 放式、多点通讯的底层网络成为现代教室智能化系统的一种趋势。而面对种类繁 多的现场总线，如何选择一种技术先进，有发展前途，将来不会被迅速淘汰，同 时也能达到我们的设计要求以及价格适中? 经过参阅大量国内外资料，发现c a n 总线拥有很多其他总线所没有的特点，我们最后决定采用c a n 总线技术来实现 楼层控制器与主控上位机的网络模型。 c a n 属于总线式串行通讯网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 c a n 总线突出的优越性主要表现为：c a n 网络上的节点不分主从，任一节点均 可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点， 可方便地构成多机备份系统c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时 向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地停止发送数据，而最高优先级的 节点可不受影响地继续传输数据，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均 无损失；c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点，一点对多点 及全局广播等几种方式传送接收数据；c a n 总线数据链路层协议的平等式通信 方式，即使主机出现故障，系统其余部分仍然可运行；c a n 总线较为宽松的电 气特性，使灵活的配置多种介质的物理层成为可能，也使c a n 总线在这方面的 应用范围更加广泛。此外，开发系统廉价，其单元节点百元的成本，以及其相对 较低的技术层次和技术难度，决定了c a n 总线必定会有广大的发展空间和发展 前景。 c a n 和r s 4 8 5 针对它们各自的特点，我们采用符合国际标准i s 0 1 1 8 9 8 的c a n 总线技术 和目前仪表、自动化装置常用的r s 4 8 5 总线构成双层网络结构，这种网络结构 有效地解决了系统的建设成本高、数据管理困难、可靠性不高以及扩展性能差等 问题。 由于教室采集器的工作环境不算恶劣，所以本系统下层网络采用r s 4 8 5 总 线，它具有结构简单、成本低廉、对布线要求不高的特点；而且r s 4 8 5 总线在 9 6 0 0 b p s 下最远传输距离可以达到1 2 0 0 米，完全能够完成一层教学楼中教室控 制器与楼层控制器远程通讯的距离需求；再加上它们之间的通讯数据量小，数据 结构简单，所以r s 4 8 5 总线能够可靠地完成下层数据采集的需要。上层网络采 用兼容性能好、可靠性能高、数据传输速度快、传输距离远的c a n 总线。c a n 总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低；有c r c 校验和出错标定能力； 而且具有故障节点自动脱离c a n 总线等功能，特别适合数据交换频繁的楼层控 制器与主控上位机之间的通信。经过实际工作证明，本方案弥补了单独的r s 4 8 5 网络或c a n 网络各自的缺点，充分利用了两者的性能优势。本方案网络结构如 图3 1 2 所示。 r i 图3 t l 系统网络结构 由图3 1 2 可见，整个系统网络是由c a n 网络和r s 4 8 5 网络组成的两级网络 结构。其中r s 4 8 5 网络是完成教室控制器与楼层控制器之间的通讯，c a n 网络 则完成楼层控制器与主控上位机之间大量的数据交换。为了降低系统的设计成 本，r s 4 8 5 与c a n 皆采用价格低廉的双绞线连接。 3 3 2r s 4 8 5 通讯的设计 硬件设计 本系统中教室控制器和楼层控制器的中央处理器均采用p i c 单片机。由 r s 4 8 5 总线组成的单片机多机通信模式，如图3 1 3 所示。 图3 旺r s 4 8 5 总线的系统组成图 r s 4 8 5 总线网络由楼层控制器( 主机) 及若干个从机( 教室控制器) 组成。 在教室控制器与楼层控制器之间完成通讯的主要部件为m a x i m 公司生产的专 用于r s 4 2 2 4 8 5 通讯的专用芯片m a x 4 8 5 ，m a x 4 8 5 将输出信号转换成r s 4 8 5 标准的差分信号进行远距离的传输。该通信是主从多机通信，所有通信均由主机 楼层控制器发起，每个从机教室控制器有一个地址码作为标识，该地址码是由拨 码开关来实现的。当地址码一致时从机发送应答数据，执行相应的操作命令，地 址码不同时，就简单地忽略这个数据包，不做任何反应。 软件设计 在教室控制器与楼层控制器之间采用通用异步通信，楼层控制器作为主机， 采用定时轮询的方法访问从机( 教室控制器) 。主机楼层控制器向从机教室控制 器发送的信息分成地址和数据两类，其整个通信过程是：主机首先发送欲通信的 从机地址，此时所有的从机都接收主机发送的地址，并各自进行地址比较，被寻 址的从机地址校验正确后，向主机返回地址供主机核对，并做好接收数据的准备， 未被寻址的从机则不应答，同时也应做好“不”接收数据的准备；主机收到地址 核对无误后，即可与指定从机进行数据通信。 ( 1 ) 串行通信异步工作方式配置步骤 配置发送状态和控制寄存器t x s t a ； 配置接收状态和控制寄存器r c s t a ； 配置r x ( r c 7 引脚) 、t x ( r c 6 引脚) 分别为输入和输出方式： 通过设定的通信波特率配置s p b r g 寄存器； 设置串行通信接收或发送中断是否使能； 清串行通信接收或发送中断标志； 设置串行通信接收中断或发送中断的优先级是高或低优先级中断方式，p i c l 8 单片机默认情况下是高优先级中断，若是低优先级中断，则必须进行设置； 设置串行通信接收和发送数据是否允许。 ( 2 ) u s a r t 异步工作方式编程 串行通信的接收有查询和中断两种方式，在本系统采用中断方式接收数据。 发送有中断发送和非中断发送，发送数据采用中断方式还是非中断方式可以在程 序中通过对发送方式标志s e n dm o d e ( 不为0 ，中断方式发送；= 0 ，非中断方 式发送) 进行设置实现，本设计中采用非中断方式发送，即s e n dm o d e = 0 。 在p i c 单片机发送数据时，发送中断标志t x i f 不能用软件清0 ，只有当新的发 送数据送入发送数据寄存器1 冱g 后，t x i f 位才能被硬件复位，因此在程序 中清该标志是无效的。 为保证通信过程的正常运行，各通信程序模块以原语方式编写。即在通信程 序模块入口关通信中断、保护现场；在程序返回前恢复现场、开中断。 3 3 2c a n 通讯的设计 硬件设计 系统中c a n 总线网络的组成模式如图3 1 4 所示，由上位主控p c 机、c a n 通信智能适配卡、c a n 总线驱动器及若干个c a n 节点组成。其中r 0 为总线中 抑制信号反射的终端电阻；p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 控制器和物理总线间的接口，该 器件提供对总线的差动发送能力和对c a n 控制器的差动接收能力。在系统中， 它将p i c l 8 f 4 5 8 的c a n 控制器输出引脚的r r l 电平变换为c a n 总线