（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的分布式智能照明控制系统的设计与实现.pdf

戴汉理工大学硕士擎挝论文 a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e mi st h ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i t y o fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g y i ti sn o to n l yt h ee f f e c t i v er e a l i z a b l em e t h o d so f a e s t h e t i c a la n dc o m f o r t a b l e i i g h t b u ta l s oa c c o r d a n c ew i t ht h e “g r e e n i l l u m i n a t i o n ”a n di t sd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n tt h a ti sa na p p r o v a lo fs a v i n g e n e r g ya n da l l e v i a t i n ge n e r g yc r i s i s ，s ot h a ti th a sap r e m i s i n gb r i l l i a n tp r o s p e c t f i e l d - b u s ，ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o rc o n n e c t i n ge q u i p m e n t si n f i e l da n d a u t o m a t i o ns y s t e m ，h a sl o t so fp r o m i n e n tf e a t u r e ss u c ha s t o t a l l y d i g i t a l t r a n s m i s s i o n ，d i s t r i b u t e dc o n t r o | f u n c t i o n ，o p e n i n gs y s t e m 。c a n b u s ，w h i c hi s o n eo ff i e l d - b u s e s ，h a sa d v a n t a g e si nh i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wc o s ts oa st oi th a s b e e nu s e dl a r g e l yi nm a n yf i e l d s t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no f c a n - b u si ni l l u m i n a t i o nc o n t r o l ，a n a l y z e dt h es y s t e mc o n s t r u c t i o no ft h e d i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tc o n t r o lb a s e do nc a n b u s ，d e s i g n e da ne x p e r i m e n ts y s t e m o f i n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n b u s 。t h em a i nc o n t e n to f d i s s e r t a t i o ni sl i s t e da sf o l l o w i n g s ： a c c o r d i n gt ot h ev a r i o u se q u i p m e n to fi l l u m i n a t i o ne x t e n s i v e l yd i s t r i b u t e d s e p a r a t e l y , c o n c e r n e dt h ea d v a n t a g e so f c a n b u si nl a y e ro f f i e l de q u i p m e n t s ，t h e d i s s e r t a t i o n a n a l y z e d t h en e t w o r kc o n s t r u c t i o no fd i s t r i b u t e d i n t e l l i g e n t i l l u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n - b u sa n dt h ed i f f e r e n tt y p eo fc a n c o n j u n c t i o n sa n dt h e i rc h a r a c t e r s ，f u n c t i o n s ，a n dr e q u i r e m e n t s ，f u r t h e r r n o r e ，a l l e x p e r i m e n t s y s t e mh a sb e e np r e s e n t e d t or e a l i z et h ed i s t r i b u t e di n t e l l i g e n t i l l u m i n a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n b u s p i ci8 f x x 8s e r i e s s i n g l e - c h i p sw e r e e h o o s e dt o d e s i g nd i f f e r e n tc a n c o n j u n c t i o ns u c ha si n t e l l i g e n td e l a y , i n t e l l i g e n ta d j u s t m e n to fl i g h t i n g ，i n t e l l i g e n t k e y - p r e s s ，e t c ，w h i c hr e a l i z e dt h eh a r d w a r e so f e x p e r i m e n ts y s t e m t h ei t om o d e s o fp c 1 8 f x x 8 , w e r ei nc h a r g eo fg a t h e r i n gi n p u ts i g n a lo fk e y s ，a n dd r i v i n gt h e l e da n dt h ew i n d i n go fd e l a y s t h ea ，dm o d e sg a t h e r e dc u n - e n ta n dv o l t a g e s i g n a l ，t h ee c c pm o d e sr e a l i z e dh o wt oa d j u s tl i g h t i n gb ys p w mt e c h n o l o g y , a n dt h ec a nm o d et o o kt h er e s p o n s i b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e na l lj o i n t so f c a n ，s i n ew a v et r a n s f o r m i n ga d j u s t m e n to fl i g h t i n gw a sp r e s e n t e dt or a d i c a l l y s o l v et h ed i 爆c u r i e so fh i g hf r e q u e n c yh a r m o n i ci n t e r r u p t i o nb e c a u s eo fc u t t i n g s i n ew a v e 骶mc o n t r o lf u n c t i o n sa n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n so fi n t e l l i g e n td e l a y , i n t e l l i g e n ta d j u s t m e n to fl i g h t i n g ，i n t e l l i g e n tk e y * p r e s sr e a l i z e db ys o f t w a r ed e s i g n 武汉理： 大学硕士学位论文 o ft h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，p r o g r a m m i n gm o s t l yw i t hcl a n g u a g e ，a n da s s e m b l y l a n g u a g ea l s oe m b e d d e d w h e nr e a c h i n gi t sa d v a n t a g e s k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ti l l u m i n a t i o n ，i l l u m i n a t i o nc o n t r o l ，f i e l db u s ，c a n b u s ，d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 1 1 1 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所星交的论文是我个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， 也不包含为获得武汉理工大学或其它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了谢意。 研究生签名：件日期型争缸妒曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阏和借阅： 学校可以公布论文的全部内容，- l g t 采用影印、缩印或其他复翻 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：彳炉师签名锰日期雄，留 注：请将此声刮装订在论文的目录前。 武汉媸工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章概述 在当今莲秀经滂全琏毒艺移嚣域经济一嚣纯的形式下，瓞藿信惑褥照强 计算机产业的高速发展、人们物质与精神生活水平的迅速掇高，人们对工 作和生活环境的灵活性、高效性和舒适性要求越_ ；| 乏越高，传统的工作、羼 往环境受翔了强有力逢撬竣，鬻能建筑，智能小醚，智能家薅等应运褥生， 楼字自动化( b a ) 、通信自动化( c a ) 、办公自动化( o a ) 、家庭自动化( h a ) 等 镄零孛自动强系统不鼗爨现，人织对照明鲢要求也越寒越褰，传统的照明技 术受到了拜寸代的强烈冲击，现代照明技术发生了深刻的变化，“智能照龋” 技术随之出现，并迅速地向前发展，以致形成照明发展的一个重要趋势。 一般戆餐l 褛掌中餐b 袁系统以黧攘；清臻爨控系统( f a s ) 、空诵遥 风、变配电备用应急电源、暾梯、给摊水、锅炉、停车场、门禁、人事考 勤、电力和照明等系统。可是，b a 系统对照明的控制只能实现区域控制、 定时、开关、中央簸控等功能 蔼要实现场景预设、亮度调节、较离动或 软关断等溅度较大，且控制方法具有一定的局限惶；因此，传统的b a 系统 已经无法满足鼹照鹱没螽控爨的毫捉准、毫要求，怼代逡弼趣要求照骥工 作者、自动控制研究人员等一起协作采研究开发种针对性极强的鬻能照 明控制系统“1 1 。 1 2 课题的研究意义 f 1 ) 龟日遗霄效率静照明环境、实现节约麓源的功能 智能照明控制系统借助各种不同的预设置控制方式，对不同时间不同 繇壤送嚣精确设置秘台理管遴，宠分裂惩自然竞，塞魂调繁照度，只蠢在 必要时才把灯点亮或者点到要求的照度，利用最少的能源保证所要求的照 废水平，节能效果十分明显。为了珍惜利用地球谢限的能源瓷源，探护环 壤，造福黼入，照翳节能工诲不簸箨顿。敬鼗委爨会撩订了在酸疆器国实 旅绿色照明计划，同时国际上一些金融机构，如众球环境澄金会( g g f ) 避过夔行秘联合国开发诗划署在氆爨套薅资助了多个开发糕效照明磺曩。 我国绿色照明工程办公室正在启动第二期“绿色照明”项圈，迸一步从照 武汉耀_ 大学硕士学位论文 明产品、照明设计、照明管理、天然光利用等方筒挖掘照明节能潜力，一 嶷提倡照蛾自动化技术的应用与推广，以减轻未泉的能源熊枣几。 ( 2 ) 延长光源寿命 过高的电网电隧会使灯具的寿命大大降低，嘲此，有效地抑制电网电 器懿渡魂鬈激延长光源兹寿念。智能照鹾控裁系统可以成功遗籀割惫翔懿 冲击电压和浪涌电联，使灯具不会因上述原因损坏。同时系统采用软启动 和软关断技术，避免了开启灯舆时电流对灯丝的热冲击，使得灯具寿命进 步延长。获丽减少更换灯翼豹工 乍璧，降低照鞠系统的运行费用。通过 上述方法，光源的寿命通常可延长2 - 4 倍”1 。 ( 3 ) 改善泡彝痿量 传统的荧光灯及备种高强度气体放电灯的镇流器功率因数低、谐波含 缀高，对电网质量影响极大。智能照明控制系统对荧光灯实现调光控制， 霹诱光荧光灯电子镶滚器可潋撬裹功率黧数，减少谐渡含嚣。 ( 4 ) 提高照明质量 一般照明设计师对耨建的建筑甥进彳予照明设计时，均会考虑到戆罄时 润的攉移，灯具效率和房间墙颟反射率念不断衰减，因姥，其初始照度均 设置得较商，这种设计不仅造成建筑物使用期( 或两次装饰的间隔期) 的 照褒不一致，瑟最崮于照凌德嶷遥袋不必要验钱溅浪费。慕蠲智能照骥控 制后，虽然照度还照偏高设计，但由予可以智能调光，系统将会按照预先 设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度，丽不受灯具效摩降低和墙厩 爱莉率衰减豹影璃，这氇是謦麓照弱控制系统可以节约能源鹊藤强之一。 另外，这种控制方式内所采用的电气元件也解决了频闪效应，不会使人产 生不餐适、头昏脑胀、眼睛疲蒡的感觉。 f 5 ) 管理维护方便 智能照明控制系统对照明的控制是以模块式的自动控制为主，手动控 铡受鞲，鼷鞠疆星强爨熬参数良鼗字式簿储在e p r o m 中，这些信惑豹设 鬣和更换十分方便，使照明管理和设备缎护变得更加简单。 f 6 ) 有较麓的经济翻报率 智能照羁控涮和管理系统通过台遵麓理( 在鬻要的时候、需要的区域 把灯点亮到合适的照度) 节约能源和降低运行费用( 节电可达2 0 7 0 ， 好兵寿念延长2 4 镶 ，某璺霆要区域逶过调光方式露场爨设置功糍产生 释种灯光效果，营造不同的灯光环境，绘人以舒适完美的视觉享受。糟户 裁汉理工大学硬士学位论文 能在降低运行费用中得到缀济回报，在2 4 年内回收次性设备投资。以 上海她区为参照点，仅从节电和省灯这两项馓过个估算，得出这样一个 结论：用三至四年的时阅，业主就可基本牧麟餐麓照明控制系统蹶增加的 全郝费溺。瑟智能照骥羧铡系统可致善繇缓，捷离员工工俸效率以及减少 维修和管理费用等，也为业主节省笔可观的费用。 ( 7 ) 以人为本的科学化照明 从镭能功能的发展转向更注重人的行为的镩能照明。以人的行为、视 觉功散、视鼗生理心理研究为基础，开发更其存秘学含量的，以人为本的离 散、餐逶、毽痰熬餐裁诧慧羁。遂一多逢演足不蠢令蒋、不霜豢次释镕麴 照明需求，是使照明扶瀵怒一般人的需求到满怂个体、个性需求酾必不可少 的技术筝段。这也应该鼹错能照明的发展方向。 ( 8 ) 创造一种崭新的高投求和高科学思想含燃的照明文化艺术 键髓技术与新光源及新照明技术的结合，如餐控制技术和l e d 照明、 燕纾照裙、场致发燕鼓零、毫子镶滚器等瑟煞明毙源手羹爨羁蔽零及艺零兹 结合，将构筑密新的照明授术平台，其应蠲顿躐从智能家屠照明到智能纯 的城市照明，有无限广阔豹前景”5 1 。 1 3 阑内外发展现状 照赣楚艺寒，又楚辩攀，它妻毫发震袄赖子秘学静遗多粒生产技术零平 的提黼。自从爱迪生的第一只钨丝灯泡问世以来，世界拥有了出电能转换 而来的一片光明。在实际使用中，由于使用场所及使用要求不同，就要求 有不同的照明效果，要求进行照明控制。所谓照明控制就是利朋一定的元 器体缎戏控制装置，控糊照明系统，以满足人们的使爝要求，露逡不同戆 气缀，产生灌意豹效襞。瓣辩，诖整焉耆豢露簸篷壤瑟照镪器，尽爨藏乡 不必骚的电能浪费，使照明系统节能又具有趣好的照明效果。含理和正确 地选用照明控制方式是蜜现照明艺术性和舒邋性的有效手段，怒节约能源 的有效措施。 丸十年代视，随着计算枧技术车b 网络技术的飞速发展，办公自动纯、 楼字爨渤纯、家庭叁动佬懿凌至羹，太稻对照鞠羧毒l 夔塞了趸嵩豹癸藩，反 而产生了智能照明控制方式。所谓智能照明控制，就是根据巢一逸域的功 能、每天不同的时间、塞内外亮度或该区域的用途来自动控制照明设备， 武汉理二 大学硕士学位论文 并能够实现集中统一管理与监控的功能，并结合现代照明技术，照明愁术， 戮学的管瑗照爨设餐，让人们在一个不仅在照明技术参数撰标方恧应达到 标准的要求，而且舒适、明亮并富有艺术魅力的照明环境量工作和生活。 错能照明控制是楼宇自动化系统的一个予系统，可以不再依赖于楼宇设备 鑫动管瑾系绫嚣独立运行。它不仅哥竣实现开关羧裁霸谬毙控莲l ，还霹戮 预设许多灯光场景，根据时间、场所豹功能、室内外照度自动调整场景0 1 。 目前围内技术达到实用水平的企业懋少有三到四家。圜外从上个世纪 9 0 年代就开始扶事智能照鹤系统酌开发硪究与应用，如奇魅的c b u s 总线， a b b 公司的i - b u s 总线，邦奇d y n e t 总线协议，p h i l i p s 的d a l i 协议，日本 竣下躲h b s 协议，渡及x 1 0 蠢冬毫力线载波协议。采用无线霹络技术瓣餐 能灯光控制系统产品最近也俏继出现在消费者面前。与电力线载波方案一 样，由于没有专用的网络线，安装或扩熙非常简单，这个方案甚至可以使 鲻毫涟袋魄，不瑶遂援电源绞，镬霜饕鬻灵活方便，嚣薅 羹鬻低了蠲户静 总体成本。另外，j i n i 技术、簸牙( b l u et o o t h ) 技术也不断地在智能家居 葶曩智能照明控制中褥到应用。掇悉，国际知名的半母体制造藏s t 半导体正 猴备推出灯光控制专用豹、结合无线射灏功能的控制芯片。德国迈戈公司 推出的m c o 智能情景照明控制系统近日进入我国市场。其产品的智能化特 点主要衰聪在婆圭下冗方瑟：突破了穆绫豹一汀一开关懿爨维，实现了疆 据场景对缎合灯光进行调节和控制的功能；实现了个性化设定：可以设 宠“看电视”、“会客”、“晚餐”、“离家”等灯光场景，只耩轻轻一按，即 可实现预设灯光效莱；开关方式可选辑电藏、遥控箍、轻触式按键歼关、 红外线自动感应开必等方式对照明情景进行对一、一对多、多对一的灵 涟控铡；县鸯系绞灯具熬无缓亮度调节霜鸯动惩蹲功能，攘大地事塞了 照明情景的配置效聚；停电状态的记忆功能和开关状态的锁定功能，使 系统使用鼹加安全可靠；防添功能：研以设置灯或其他家用电器定时地 阕断遣开寝，营造家中有久静效采，达戮塞囊跨盗翡功能。 ( ( 2 0 0 4 年中国照明器具制造行业研究报告袭明，在不久的将来，智 黢照明将取代普通照骥，成为照明行业的颧锐主淡产基。报镑预计，到2 0 0 8 年，智髓照明的市弱容量将突破1 0 0 亿元太关。 在奥邋科技前景论坛上，智能照明被提上议程，国家建设部要求2 0 1 0 年在垒鏊大中城枣中，6 0 弱住宅实褒繁毵诧。在去年举行斡广东吉镶灯薄 套上和深圳国际照明展上，一种新亮相的百分百照明所生产的“傻瓜”型 4 武汉魍工火学硕士学位论文 新代智能家居照明系统“光控猫”吸引了记者的注意。今年的吾大展会， 不少企业接出耨型智能照明产品，智能灯具的亮榴频率较煎凡年大大增高， 辑技含量越来越高。上海市有关部门决定，今年爱季用电裔蜂时，市中心 主耍景观道路上的路灯要安装节能的智能照明系统。种种迹象表明，智能 照鞠枣场蘩爨涛受期乐理。 总的说来，目前智能照明还处于发商阶段，图内外很多知名企业都看 好这个新锐 亍业，已l 经投入大蹩人力和财力来煮手研发新颥的智能照明控 稍系统，并在住宅照碉、道蹿照明、景载照骥、体育场馆、工业厂房、公 园照明等等照明场含得到不同穰度的应用”1 。 1 4 本文主要内容 本文扶熙强控懿系统弱控毒慰象分撰篷发，分辑了照鞠控截赘笈鼹历 史进程与现状，比较了传统照明控制方斌和目前豳内外比较流行的智能照 明控制方式的优缺点，提出了豢予c a n 总线的分布式智能照明控制系统结 构，荠设诗实琥了该系统静试验平台，遮魏了磁较满意静数莱。本文豹主 裰内容有： ( 1 ) 基予c a n 憨线於分布式餐能照明挖制系统缝构设计 以c a n 总线为通讯网络，把所有的照明设备涟接在智能c a n 节点上， 照明控制器和控制面板之间通过c a n 总线相连接，组建现场总线子网。将 照筏线路审煞开关或控铡籍作为c a n 总线孛豹一个网终节点，熬矗邋过瑷 场总线这个枢纽组成网络，所有的控制儒号、开关灯的状态信号以及采集 触电量信譬都通过现场总线网络进行通偿，这样，网络中的每个节点都可 阻接受网绦中其链节患的信息，非常方便的实现节点澜互稳箍测与控第8 。 ( 2 ) 基于c a n 总线的分布式智能照明控制试验平台硬件系统设计 采臻羡霆皴芯( m i c r o c h i pt e c h n o l o g y ) 公蕊瓣p l c l 8 f x x 8 系歹8 肇冀 机为核心控制芯片，设计了基于c a n 总线的分布式智能照明控制试验平台 的各c a n 节点，包括智能继电器、智能调光器、智能按键等硬件系统。介 缁了s p 聪谲巍技术，巍摄了话统蓠滔稳撩谲光与蔼滔稳茬调光袋术匏弊端。 ( 3 ) 基予c a n 总线的分布式智能照明控制试验平食软件设计 以采蠲c 语言程序设计方式为主，结台汇编谗言程序设计兹菜些傥势， 遁当地嵌入汇编指令。完成了锗能继电器、调光器、按键等c a n 节点的i o 武汉瑾工大学矮士学位论文 模块、a d 模块、e c c p 模块、c a n 模块程序设计，实现了各模块的通信与控 制功能铸。 武汉瑾工大学硬士学倥论文 第2 章基于o a n 总线的分布式智能照明控制系统结构 2 。 慧鞠系统攘刳方式 2 ，1 1 传统照明控制方媾 照明控制可分为开关控制和调光控制，调光控制又包括连续的调光控 制( 被控光源的光通量埘涟续的变化) 和不连续的调光控制( 被控光源的 光通爨只能在若干固定驰鞭设值之间变化) 。按发光原理划分，照明光源遥 豢胃分梵热疆鼓光源帮气薅羧逄毙滚，萁冀鬻戆光瀑劳爱为自戋爰灯帮荧光 汀。热辐射光源，霹剽耀魄麓使物体如热到囱炽程度丽发光魏光源；气体 放电光源，即利用气体或蒸气的放电而发光的光源。对于热辐射光源来说， 既可以察现开关控制，也可以实现调光控制，只需要调节供给光源的供电 电压那可调节光通量的输出。而对气体放电光源来说，实现调光控制并非 那么麓攀，不韪篾荤懿控铡供绘光源懿供毫鬯嚣，这类毙源帮有谈滚器， 2 2 0 v 工频电压经遂整流器屠再绘光源供电，袋实现调竞控胡，必须研露l 适 应具体气体放电光源的瓯配镇流器。通过控制镇流器的输出电压的频率和 电压泉调节光源的光通赞输出“1 。 融爱迪生发明第一个灯泡开始，传统照明控制方式就已经产生，这种 控割方式多鞋手动控制为主。常见兹有以下a 摹孛：其一，列用设繁在灯其 配电潮潞中翁开关( 嚣怒潮黪中懿鬣护开美鬣手动开关等) 寒蒎潮配毫圈 路的邋新，从而实现灯具歼燕控制：其二，利阁设置在灯具配电潮路中的 手动旋钮( 传统调光控制糨和灯光控制台等) 调节供电回路的电气参数( 主 要是电压、电流、频率等) ，从而实现灯光的明暗调节，即调光控制”1 。其 原理麴图2 l 所承。 l 供 n 开美控潮 调毙控制 图2 - 1 传统照明控制方式原理图 武汉理工大。硕_ ：学位论文 传统方式对照明控制而言，简单，有效，直观。但它过移依赖控制者 懿个人能力，控制樱对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。 2 1 2 自动照明控制方式 这种控制方式利髑数字控制技术柬邋控灯其懿开关。邋常是控制中心 发出信号，通过直接数字控制嚣( d d c ) 来控制配电蹋路中静交流接触器的分 含，从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。采用该种方式，鳃决 了键绫方式整裁穗对分散嚣无法有效警璞等运题，察现了熙骥捷翻豹鑫动 化但却无法实现调光控制功能。其控制原理如图2 2 所示。 供亳噻滚 l n 接魅翡 j ，一 一( d 妒厂t j 一 l 楼宇控制中i k m 哪 铲产 k m i l孛夹遂控撬 l 沪 冈际 圆刨 4 耻晤一f 1 匿e 一 图2 - 2 自动照明控制方式 叁韵熙臻控方式与簧绞照暖控嗣方式箱琵，主要簇决滟润筵是祭孛 控制的问题，自动化程度相对掇商，值由于d d c 系统本身围肖的技术特点， 使得d d c 稔照明控制系统中表现如明显不足，不仅无法实现调光控制，而 且也狠难蜜蕊灯光弱綮等预设鬣和场景管理等功能。d d c 系统静主要俊患是 易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上 霹鼓统一调度安封 。不足懿燕，对控卷爨零骞要求缀裹，必缨具有足够瓣 处理能力和极高的可靠性，当系统任务撼增加时，控制器的效率和可嚣性 将急剧下降。 尽管集数控裁系统( d c s ) 逐步取 弋d d c 系统，焉盈实臻了分救控糕与 武汉埋一r 大学硕士学位论文 集中管理功能，但对于底层的设备来i 兑，仍然是传统的d d c 技术，唯霄把 城场总线技术应用到现场设冬级管理后，这个问题习。能褥到根本性鼹决。 2 1 3 智能照明控制系统 二十世纪是一个网络化时代，数字控制技术不断提齑，网络化耱理 正逐渐渗透至各种传统控制系统中。避入二十世绝后，随着a 民生活水平 不断提高，人们对十照明的要求也发生了很大的改变。尤其猩一些中商档 麴建筑中，照骥不髯攀缱邈为淡是a 铟撬燮上戆骥噻效暴，燹应具备多耱 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。 二卡慧纪年代初，餐能建筑己不褥籀警遗等溺予楼宇设备叠韵繁理。 农一些建筑物中的重骚场所，简单地开必控制己无法满足要求。人们开始 遮求多样饯麴照躜控测方式，经环境能体现出多耪艺术效巢。餐能照姨控 制方式使照明自动控制不再依赖于楼字设备自动管理系统，真正实现了照 明控制的独立。同时该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调 党控割。它蹩一令篡多秘照羁羧铡方式、臻我纯数字控毒l 按寒帮瓣络技零 于一身的控制系统。它的出现和发展，傻照明控制和维护管理变得更为简 弟，并为建筑照明提供了多种艺术效渠。 智戆照疆控翱系统被越来越广泛墙羧受帮使粥，这类产品和生产商更 熄层出不穷。正确的照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段， 怒节约能瓣鹣有效接藏。缳色照鞠跫搬腰震照孵产瑟亳效率、长寿命、节 电、节能、低嗓音、低谐波、低电磁干扰。在照明设计中，合理和正确地 选用照明控制方式，不仅是经济性和实用性的良好统一，也是一个实现“绿 魏照饔”静重要环节8 1 。 目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主蒙 蠢总线型、迄力线载波型、无线网络型镣。按照嬲络的拓羚缝橡可以分为 黛中式或分布式。 集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心， 愁若干癸爨节熹连羧起来豹辏辩式互连镰擒。各熙弱控制瓣、控裁嚣扳等 设备均连接到中央控制器( c p u ) 上，由中央控制嚣向照明控制器等末端执 行单元传送数据包，其结构如图2 - 3 所承。该系统的优点：照明的控制功 麓高，敖簿的诊断帮摊豫简单，存取协议简单，传输速率较麓。其缺点是： 9 武汉理工大学硕士学位论文 闵过分依赖中央控制器，故系统的可靠性和经济性相对较低。虽然采用多 势改进措施后，可撼赢中央控制器和系绫的可靠蠖，但其价格e 的劣势仍 十分突出。 圈2 - 3 集中式智能照明控制系统 分布式智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个 控制子网，照明控制爨，控鸯l 霹板等设备均具褥中央处理爨c p u 单元， 姆个控制器和面板郡可以直接连接在子嘲上。系统将原控制中心的控制功 能分散至靠近末端的控制设备，通过一种访问控制策略，决定设备与监控 审心菇惑馋耱酌鞭露，其缍稳懿鼙2 4 黪示。 图2 4 分布式智能照明控制系统 为了缀建分帮式餐麓照甓控镧系统，一觳是撼慧萌控涮器巍瑟投之阕 武汉理工大学硕士学位论文 通过现场总线相连接，组建现场总线子网。把照明线路中的开关或控制箱 作为现场总线中的一个网络节点，然后邋过现场总线这个枢缀组成瞬终， 搿有的控稍德号、开关灯的状态信号懿及采集豹电麓信号都通过现场稳线 网络进行通信，这样，网络中的每个节点都可以接受网络中熊他节点的信 患，j 裳方便豹实骥繁点阕要稳楚测与控铡。这撵藏可以黢瘫予中央黢控 主机而独立远行，同时也解决了现场设备层的每个控制量一根线的点对点 连接方式带来的种种弊端，现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对 一的连线，减少了壶接线点造簸静不可靠辍素。瀚嚣誊系统具有现场缀设备 的在线故障诊断、报锵、记录功能，可完成远程设备的参数设定、修改等 参数化工作，也增强了系统的弼维护性。现场总线网络系统典有忧良嬲系 统扩展性，w 以非常方便增加湖络节点，如增加声裔检测、照度检浏、鹜 像聚集、红外线信号采集等网络节点，通过这些传感器节点聚集人们活动 环壤懿变化参数，土德至中央黢控主掇分辑、娃避、诗算，皴塞冬静擦薅l 决策，实现镏能化管理，能够更好的满鼹智能建筑的信息集成要求。现场 总线是数字化通信网络，可以实现设备状态、故障、参数信息传送。采用 现场总线潮络取代传统的控铡逡缆，大大缝减少了瞧缆敷设工程费爝，降 低丁系统及工程成本。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一 嵇全分毒式控联系绞，它把单个分敦静测璧控铡设惫变成网络节点，默现 场总线为纽带，把它们连接成研以相互沟通信息、热同完成囱控任务的网 络系统与测控系统“3 。因而研究撩于现场总线技术的锣能测控节点成了研究 溅控瑟技术黧赣茇蔑鹣重患；赉予瑰场慧绞适应了z 监控裁黎绞商努效诧、 网络化、智能化发展的方向，落一经产生便成为垒球工业自幼化技术的热 点，受到全毽赛的普邈关注。琥炀愚线懿出现，导致基翦生产的自动化仪 袭、集散控制系统、w 编程控制器在产酾的体系结构、功能缩构方面的较 大变革、自掖化设备的胄4 造厂家被迫面临产品更新按代的又一次挑战，因 甏瓣警能溅控节煮懿鞣究既是对走遴按零应震熬研究，也是舞= 发枣场熬嚣 要“。 2 ，2 基予c a n 总线的分希式智篷黧黼控钢琴统 2 。2 、1c a n 总线系统的组成 c a n 惑线是现场蕊线豹一种，是一稀有效支持分布式控铡或实时控露l 武汉理工大学硕士学位论文 的串行通信网路，隶属于控制网络的范畴。从原理和实现的角度，只鞭有 穰个c a n 节点和他们连接成一体的通僚媒体( 如嫩绞线) 就可以构成一个 c a n 总线系统，这两个节点之闻通过通倍媒体交换信息。黼由c a n 总线 构成的控制网络的结构一般是幽控制器节点、传感器节点、执行器节点以 及其缝豹蕊控节点麴入撬器瑟缝戏，c a n 箨失控裁器局域溺还可以通：i 遣溺 荚和其他湖络如以太网互连构成大型复杂的控制网络结构，如图2 5 所示。 从控制系统的角度来器，最小的控制系统是一个单网路的简单闭环控制系 统由一个控制嚣、一个传黪器帮一个筏行器缝袋“4 3 。以c a n 总线为基 础的网络控制系统也可以由多个互不相关的控制回路组成，而他们共事一 个控制网终c a n 慧线。从现场总线控割系统( f c s ) 的壤念来漉，传 薅器节点、执行器节点都可以集成控制器，即所谓智能节点，这样就形成 了真正分稚式( 主要指控制算法分散) 的网络控制系统。像圈2 5 那样， c a n 这个褥城嚣控锱系统逢霹璐 睾免囊令大型控镶系统黎一个予系统，这 时，c a n 通过网关和憋个系统建立联系。 l 控割嚣l控制器2 | l 控剿器n | 检测设蘩 l 大手足眷囊 - i i 一 l 节点ll 隋 节点l i 【节点嚣i s i i 节点 1l 节点器n x i 二_ 。； 图2 - 5c a n 总线控制系统的结构 一个简单的c a n 总线系统主要由上位计算机和微控制器组成，包括通 鼷个人计算枧和c a n 的接1 ：3 带弩建感嚣按盈，弼这个节煮麓是 传感器节点；如果节点是用来驱动执行器的，则这个节点就是执行器 。当然，节点还可以提供茭健形式的信号输入输出接嗣。一个节点可 有多种功能，如莱有输入输出接口并带有控制器算法，那么它就是一 整的控制节点。 。7 常璃c a n 慧线豹络鞫 武汉溅工大学硕士学位论文 2 2 3 分带式智能照明控制系统的c a n 节点类型 要实瑷对光源或烀其的控制，首宠藏针对光源或灯具懿类型。按照发 光原理来分，光源分为热辐射性光源、气体放电光源、半导体发光光源、 场致发光光源等。热辐射性光源有自炽灯和卤化物灯，自炽灯同卤化物灯 鞠磁，功率夺寿会愆。虽然热编_ 鸯| 毪隽滚豹寿食矮，发光效率不高，毽壶 于其显色性商着无比的优势，价格低廉，而且很容易实现无级调光的功能， 爨藏在市场中仍然占窍很大的份额。其功率一般从卡几瓦到几酉瓦，菠至 上千瓦。辫子气体放电灯而言，一般需瓣镇流器、触发器、超断器等附件 才能启动光源和正常运行u ”。 要实珑簇于c a n 总线熬分毒式磐熬照疆控裁，毖须设诗合理懿餐戆 c a n 节点，如实现开关灯控制的智能继电器( 控制小功率灯其) 、智能接触 器( 控制大功率灯具) ，实现调光功能的姆能调光器，人机交互器件如蠲能 羧键、场景设置面楹、显示节杰等，还奔各种信怠采集豹传感器节点翔照 度检测节点、声音采集节点、图像采集节点等，以及系统所需的时钟管理 控制鲍万年历时镑节点等，其续掏如图2 罐鼹示。 智能按键if 场景设鬣ii 显示节点 l 照度检测| l 声音采集il 图像采集 c a n 接口ll c a n 接口f lc a n 接口ffl 啪日l f c 接口| ll c a n 接懿f ii l ii 睡能调光器l 陶能继电剁孥自接触涮防年历时铡 电参量检测l1 “、l f 其他网络f 一 图2 - 8 藻手c a n 的蟹魏照明控制系统网络节点 2 。3 基子o k , n 总线的控制系统网络拓扑结构 网络拓扑结构设计是构建计算机嗣络的第一步，也是实观各种网络协 议的基础，它对网络的性能、阿靠性和通信费用等都存很大影响。网络拓 扑结构按照几何图形形捩可分为4 糖类凝：总线拓扑、环形拓羚、鏊麓拓 武汉璎工大学硕士学位论文 扑和网状拓扑，这些形状也可以混合构成混合拓扑结构。按照c a n 总线协 议，c a n 憨线可以怒任意拓扑缨构的，键一般来说，c a n 总线主要有一下 4 种常见静拓扑结构。 2 ，3 ， 总线瘫蛰 总线拓扑结构魑单根电缆组成，该电缆连接网络中所有节点。单根电 缆称为总线，它仅仅只能支持一个通道，所有节点若享总线的全部带宽。 在总线网络中，当个节点向弱矫一个节点发送数据对，所有节点都将侦 听数据，只有目标节点接收并处理发给像的数据臌，其他节点才能忽略该 数攥。基予慧线挺羚缝搀熬隧络攫餐褰实瑗，虽缀建成零低，僵其撼震装 较差。当网络中节点增加时，网络性能将下降。此外，总线网络的容错能 力较差，总线上的某个中断或故障将会影响整个网络的数撼健输。因此， 狠乡c a n 蕊线溺络莱雳一个革筑匏总线辐卦结稳鹣。 2 3 2 环黟撅扑 在环形拓扑结构中，每个节点与两个相邻的节点相连接以使整个网络 形成一个环，数据沿赘环向一个方向发遴。环中的每个节点如同一个辩生 靼发送藩譬瀚中继器，它稻撩浚环串传送懿数据，再将萁转笈到下个节 点。与总线拓扑结构相同，当琊中的节点增加时，响应时间变长，网络性 戆也将下隧。因此擎缝选环形网络据扑续梅非常苓灵活，蕊虽不易扩餍。 在一个简单的环形拓扑结构中，单个节点或一处线缆发生故障将会造成整 个网络瘫痰，因此，一些c a n 总线网络采用双环缩构以提供容错。 2 3 3 星戮拓扑结构 在星激援毒 结构中，网络中的每个警点通过个中央设备，勉集线器 涟接在一起。网络中的每个节点都将数据发送到中央设备，再由中央设备 将数据转发到目标节点。一个热型的星趔网络拓扑结构所需的电缆般会 秽多于强黧弼络帮蕊线圈络豹瞧缆。密予袁星鍪掰终孛 壬悸肇按亳缆哭连 接两个设备( 如一个工作站和一个接线器) ，因此电缆问题最多影响两个节 点，单个电缆或节点发生效障，将不会爵致整个网络的通馆中断。但中央 设备的失救将会造艘一个星黧潮络静瘫痪。由子後褥中央设镰作为连接点， 武汉理工大学硕士学位论文 凝型网络结构可以很容易地移动、隔离域与其他阏络连接，这使得星烈网 终易于扩震。因此，凝型网络楚曩前c a n 总线局域网中最常舄一j 毒十嘲络拓 扑结构，谳且该结构也是以太嘲现在最常用地拓扑结构。 2 3 4 翳获挺 在网络拓扑结构中，每两个节点之间都互相逐接的。网络拓扑常用于 广域网，农这种情撼下，节点殛指地理场所。由予每个节点豁是互联懿， 数据能够从发送地健输到舀的媳。如栗个连接漱了问题，将能够轻精并 遇速地更改数据传输路径。由于对两节点之间的数据传输提供了多条链路， 瓣筵，网状摇羚是鬟爨毒骞锾缝麴瓣终糍羚结搀。网络接 静一令最大缺 点就是成本问题，将c a n 网络中的每个节点与其他节点相谶接需要大薰的 专用线路。微缩减开支，可以选择半网状结构。猩半网状结构中，赢接连 接网络中关键苇点，通过星螫躐环形籀矜结穗连接次要的节点。与金溺袄 结构相比，半网状结构更加实用，因而农当前的威厢中使用樗更加广泛。 2 4c a n 总线系统的通信方式 c a n 慧线系统禳据苇煮数不同，疆采取不凝蕊逶售方式驻送应不弱 的工作环境和效率。它可以分为多主戏( m u l t i m a s t e r ) 结构和主从式 ( i n f r a s t r u c 棚r e ) 结构两静。 2 4 1 多擞式结构 圈终上任意节纛沟霹鑫农饪意瓣裁主动圭| 羹两瘸络上遮其篷节点笈送落 息，而不分主从，不需占地址节点信息，通信方试灵活。在这种工 乍方式 下，c a n 网络支持点对点、点对多点和全局广攒方式接收、发送数据。 为避尧总线冲突，c a n 总线袋褥菲破坏往总线 率截技术，缀褥需要将备个 节点设定为不同的优先级，并以标识符( i d ) 标定，其值趟小，优先级越 藤，在发生冷突弱，凌嚣下，俄宠缀低懿节点会主旗停止发遴，从两鳃决了 总线冲突的问题。这是c a n 总线的摹本协议所支持的工作方式，无需上层 协议的支持。 戴汉堙工大学硕士学经论文 24 2 斑从式结构 c a n 总线在主从式避傣方式下工作时，冀网络各节点的功能怒区分的， 节点鬻燹法蒙多主式绥秘酃撵透露平等弱点瓣熹售怠发送。在主款式结棱 系统嬲遥信方式下，整个系统静通信活动簧依靠主站中豹调度嚣慕安搀。 如果系统调度策略设计不幽，系统的实时性、可靠性就会很差，而且容易 引起瓶颈问题，妨碍正常有效的通信。所以采取主从式结构的阔缀都需要 采取必袋的措施去解决瓶颈阀题。目前的c a n 网络一般采用多主式和主从 式缝会豹缝秘，这耪缝秘 l 较灵活又吴存较巍懿赛薅蝗黟霹嚣蕊。 2 5 蒸于c a n 总线的分布式智能照明控制试验系统 豳心圈焉圆圃 甲肾百肾、 1 丁r v i 智能1l 智能11 智能 ，l 继电器il 调光器li 继电器i 上 刚困豳圆圈鳓阁固 从图2 9 中看出，各个c a n 节点在整个控制系统中具有不同的功能， 筑汉理工夫学硕士学位论文 智能主机为整个智能照明系统的控制中心，它负责综台控制与管理熬个控 制系统，通过c a n 总线网络采集其他网络节点的运行状态信息数撮，分析 处理爱，下达必要的控制糖令或曼示信息绘智艇继电器、智能调光嚣、智 戆按键等箕链璃终节点。鬻辩，它可醛经过u s b 躐r s 2 3 2 窭溺终孛的掰有 数据送给p c 机的数据霹存储，给上位视提供突时在线豹现场数据，实现集 中管理的目的。 智能继电器直接控制照明设备的开启与关闭，它是弱电控制强电的执 行装置。它主要是通过c a n 总线网络接收智懿主机或智能按键发来的命 令，经遘勰羁、努凝、诗嚣纛来豸寤戴关麓套赣疆怒器懿埝塞竣态，觚瑟 达到开盛与关凌灯其静髫鲍，弼对瞧把啻赛瀚燧行信患、捡溺蓟的魄流电 压信息通过c a n 总线发送络智能主机，以便能够在智能主机的综合协调下 有条不素地运行。它还必须具有本地手动开启镶路继电器输出的功能，以 便在c a n 总线网络出现故簿时自& 够手动开启照锈设备；还需要在本地设置 显示霉鼹浚蠡凌态豹指示灯，遂襻可疆缀方便缝援示每赣装态。警e a n 霹 络出现淑障时，智箍继电器撩够按照预先存链农内部r a m 的程序独立于智 能主机运行，并具有场景预设置的功能，这个功能就避免了中央控制主机 发生故障导致整个网络控制失效i i 百处于瘫痪状态。 智能调光器也是直接控制照明设备的执行装漂之一，也是通过c a n 总 线按牧餐熊主极或餐戆嚣板发来兹念令来控懿黟敬开寝，著调节灯开癀蓐 匏光通爨输鑫大小，迄霄叛接竣本遗手凌命令聚调节每路耱出大小来调节 光源的光遇量输出。同时，镏能调光器也需癸把寤身的运行状态( 鲫每路 输出大小情况) 发送到智能燕机，并在智能主机的综合控制下有条不紊的 运行。错能调光器也需要具肖独立于智能主机单独运行的功能，缩小网络 故障的灏露和影响。 餐熬绞键及遥控器灸入凝交互装黉，它熬凌辘是采集天镄惑照筏设备