王希娟

WANG Xi-juan

（陜西國際商貿學院，咸陽 712046）

0 引言

在20世紀90年代后半期，白光LED引起業(yè)界人士的極大關注，半導體照明這一概念應運而生。所謂半導體照明，就是一種基于半導體LED新型光源的固態(tài)照明，在同樣的照度下，LED燈的電能消耗和壽命比白熾燈和熒光燈都有明顯的優(yōu)勢，因此它是一種典型的綠色照明。正是基于LED光源的高節(jié)能、長壽命、保安全、利環(huán)保等優(yōu)良性能和巨大的發(fā)展前景，我國于2003年成立了跨部門、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國家半導體照明工程”，促進中國半導體照明產業(yè)的發(fā)展，進一步拓展LED的應用市場。在未來的生活中，半導體光源將無處不在，LED將引領21世紀照明領域的新潮流。

隨著大功率LED照明應用的普及，人們對LED 照明的高效控制和功能多樣化的要求也不斷提高，LED智能照明系統(tǒng)應運而生。LED 智能照明系統(tǒng)充分利用電子技術、通信技術和計算機網絡技術，將建筑物內的各種 LED 照明器具有機的連接在一起，是一個集節(jié)能安全光源、自動人體感應檢測、現(xiàn)代化數(shù)字控制技術和網絡技術于一身的能夠實現(xiàn)有效管理的控制系統(tǒng)。

1 校園照明現(xiàn)狀分析

目前，校園建筑的照明燈具控制大多采用手動開關，對一些照明時間較長、照明設備較多的場所，如學校的教學樓、圖書館等，其照明系統(tǒng)的使用浪費現(xiàn)象屢見不鮮。由于缺乏科學管理，經常出現(xiàn)沒有及時開關燈具的現(xiàn)象，有時在借助外界環(huán)境能正常工作和夜晚室內空無一人時，教學樓教室里也是燈火通明，從而造成大量的能源浪費和使用上的不便。另外，不必要的使用，也會縮短燈具的使用壽命。

因此，結合照明行業(yè)發(fā)展趨勢和校園照明現(xiàn)狀，研究一種適合于高校校園的LED照明智能控制系統(tǒng)就十分必要了。

2 采用LED照明的校園智能控制系統(tǒng)架構設計

從高校校園環(huán)境分析可知，校園照明主要分為室內照明和室外照明。室內照明控制區(qū)域包括教學樓、公寓、行政中心、信息中心、圖書館、室內游泳館等，室外照明包括校園道路、體育場和園區(qū)景觀等。要對整個校園的LED燈具智能管理和控制，必須采用先進、成熟的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)不僅要具有多級管理平臺，能夠對整個系統(tǒng)的燈具進行監(jiān)控，而且要求系統(tǒng)可靠、操作簡便、便于線路檢修。由于高校校園建筑和照明方式的多樣性，而且時間倉促，所以本次設計將室內照明的教學樓照明和校園景觀照明作為研究的重點內容。

1）系統(tǒng)網絡設計

校園LED智能照明控制系統(tǒng)采用總線模塊化系統(tǒng)結構，各系統(tǒng)設備均配置獨立的CPU和存儲器，即某個子系統(tǒng)模塊出現(xiàn)故障，只是與該模塊相關的功能失效，而不影響網絡其他子系統(tǒng)模塊的正常運行，既有利于快速故障定位，又提高了照明控制系統(tǒng)的容錯水平。系統(tǒng)采用樹狀主干網子網的結構，組成一個分布式校園照明控制網絡，各子系統(tǒng)通過分控制臺核心部件ARM芯片的網絡功能連接到主干網中，系統(tǒng)架構如圖1所示。系統(tǒng)提供開放的通信協(xié)議，可根據校園各建筑設備配備情況設計子網數(shù)量，既能滿足控制要求，又能減少故障波及面，網絡規(guī)?？伸`活地隨系統(tǒng)大小進行擴展。

2）子系統(tǒng)結構設計

圖2 子系統(tǒng)結構圖

各子系統(tǒng)采用主從式總線型拓撲結構，如圖2所示，主要由1個分控制臺（核心為ARM芯片）、若干臺下位機（核心為單片機）、總線連接器RLINK（提供主機與總線相連的接口電路）和RS-485總線通信網組成。整個系統(tǒng)在管理軟件的控制下，統(tǒng)一協(xié)調工作，完成控制功能。

控制系統(tǒng)中子網網絡通信采用RS-485串行總線連接，串行通信具有傳輸距離長、連接簡單、使用靈活方便、數(shù)據傳輸可靠性高的特點，更適合在工業(yè)監(jiān)控、數(shù)據采集和實時控制系統(tǒng)中應用。

下位機是以單片機為核心的數(shù)據采集與控制單元，下位現(xiàn)場數(shù)據采集與控制單元掛接于同一數(shù)據通信總線，總線為各現(xiàn)場單元共享。下位機通過RS-485通信接口電路與上位機交換數(shù)據。分控制臺通過RS-232C串口向總線通信協(xié)議轉換控制器發(fā)送命令幀信息，總線連接器負責RS-232C電平和RS-485電平之間的相互轉換，轉發(fā)此通信幀向RS-485總線網絡廣播。在通信幀中包含分控制臺所要求的下位現(xiàn)場單元地址，所有下位單片機都收聽廣播，在收到廣播幀后，進行地址對比操作，各下位單片機把收到的地址與自己的地址進行比較，地址相同的下位單片機控制器為被選中的下位機，對接收到的幀信息進行處理，其余下位單片機控制器皆為未選中的下位機，需要丟棄收到的幀信息并繼續(xù)進行網絡偵聽工作。同樣，下位單片機向分控制臺發(fā)送信息幀時，由總線通信協(xié)議轉換控制器轉換為RS-232C通信協(xié)議電平向主控微機轉發(fā)。而下位機本身是一個相對獨立的智能型區(qū)域數(shù)據探測與控制單元，當分控制臺與下位單片機之間的通信發(fā)生故障時，各下位機仍可獨立完成相關區(qū)域的數(shù)據采集和控制功能。

3 子系統(tǒng)設計

3.1 教學樓照明子系統(tǒng)設計

教學樓是師生進行教學的主要場所，良好的照明是保證良好教學效果和學習效率的必備條件之一，對于保護師生視力有著重要的作用。教學樓照明設計對于教學樓照明效果和照明設施能否長期安全運行起著決定性的作用，本系統(tǒng)將按照現(xiàn)行國家規(guī)范的要求，對于教室和走廊，提出不同的照度選擇標準和照明方式。同時，對于安全疏散照明和用電安全防護等問題提出設計和運行管理要求。教學樓照明包括教室室內照明和安全疏散照明。教室室內照明是為照亮整個教室而設置的均勻照明。當發(fā)生電源故障特別是火災事故又停電時，還要提供人員安全疏散的照明設施，需要設置安全疏散照明。同時，要保證照明設施（包括線路）長期安全、可靠運行。

1）教室室內照明硬件設計

在教室照明控制子系統(tǒng)中，數(shù)據采集、處理和控制功能由各下位機獨立完成。下位機主要由傳感器、控制器、存儲器、各種集成電路和LED燈具等部分構成，是一個以單片機為核心的自動控制系統(tǒng)，其結構如圖3所示。

圖3 教室室內照明下位機結構原理圖

（1）傳感器：

傳感器包括被動式熱釋電紅外探測器和光照度探測器。通過被動式熱釋電紅外探測器和噪聲探測器可探測是否有人，通過可見光探測器可探測環(huán)境亮度，根據不同的探測結果來控制LED燈具是否開啟和調節(jié)室內照度。

光照度探測器包括光電二極管、光敏電阻和干涉元件等，可自動檢測被控區(qū)域光照度。當教室室內照度低于下限值時自動開燈，照度高于上限值時自動關燈，實現(xiàn)區(qū)域照度的自動控制。

（2）控制器：

我們采用單片機作為照明系統(tǒng)的核心，單片機的品種規(guī)格很多，經過對比各種主流單片機的性能，我們采用具有高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅動能力和低價位OTP技術等特色的美國Microchip公司推出的PIC16F877單片機。為降低來自電網的干擾，由單片機I/O線產生的觸發(fā)脈沖，必須經隔離、功率放大后方可接至可控硅控制極，控制可控硅。而用于可控整流、逆變、調壓電路的可控硅調光器（SCR）很容易進行電流的調光，能進一步延長燈的壽命。

（3）電源電路：

電源電路為上位機和總線提供電源，各下位機的控制器不再外接電源，而直接從總線獲取，LED燈具另備電源。

（4）延時選擇電路：

系統(tǒng)設置延時選擇電路的目的是在環(huán)境光照較弱時，照明設備延時一段時間后再自動熄滅。

（5）LED驅動電路和LED燈具：

教室照明的目的是營造一個良好的光環(huán)境，設計時首先應滿足照度的要求，其次是布燈應整齊美觀，與建筑空間相協(xié)調。教室照明是一般照明，照度要求均勻，所以光源部分將選取LED日光燈具，布燈時可用單一的幾何形狀。

根據國家最新民用建筑設計照明標準（GBJ133-90）的規(guī)定，為保障學生視力健康，提高教室光環(huán)境質量，加強學校節(jié)能減排工作，室內平均照度應達到300lx。由平均照度公式E＝NΦUK/A可得N＝（EA）/（ΦUK），其中E為平均照度，Φ為光源光通量，N為LED數(shù)目，U為燈具利用系數(shù)，K為維護系數(shù)，A為室內面積。我們采用1w的白光LED，發(fā)光效率為100lm/w左右，燈具維護系數(shù)為0.85，利用系數(shù)0.75，教室室內面積以70m2計算，所以，N ＝（300×70）/（100×0.85×0.75）＝ 329（只）?？紤]到室外亮度越低，對室內亮度的補償越小，所以我們采用350只LED，全部點亮室內照度可達到318lx，將這350只LED分10組，每35只LED制成一盞半導體燈。

那么，每盞燈具的35只LED如何排列組合才能滿足較大范圍、較高亮度的應用要求及與LED驅動器之間的匹配要求?目前，常見的LED連接形式有整體串聯(lián)形式、整體并聯(lián)形式和混聯(lián)形式。通過對這三種連接方式的對比，我們采用先串后并的混聯(lián)形式，可靠性高，驅動器設計方便，總體效率較高，適應范圍廣。

在絕大多數(shù)情況下，電池等原始電源不能直接為LED供電，必須經過電源變換。而LED驅動電路就是LED電源變換器電路，其核心部分就是一個直流變換器，用以控制LED光源的開關及亮度的明暗轉換。每盞燈配一個橫流電源，用單片機控制、調節(jié)LED的發(fā)光亮度。

2）安全疏散照明硬件設計

教學樓安全疏散照明硬件部分在教室室內照明下位機結構的基礎上進行了改良，增加了噪聲探測器。噪聲探測器的主要作用是通過對環(huán)境中人類日?；顒铀a生的噪聲進行探測，并與紅外線部分的數(shù)據在系統(tǒng)內部進行或運算，以補償環(huán)境溫度非常接近人體時紅外探測不敏感而無法判定是否有人進入需要照明的區(qū)域，提高緊急疏散照明的可靠性和準確性。

在光源部分，采用市場上將調光解碼器與LED燈具整合成一體化的LED可調光燈具，這種燈具減少了外部控制系統(tǒng)接線及解碼器防水的問題，使LED控制系統(tǒng)安裝成本低，而且系統(tǒng)安裝及調試方便，保證了LED系統(tǒng)的質量。

3）軟件設計

（1）系統(tǒng)管理軟件設計：

在Windows2000/XP系統(tǒng)平臺上，基于面向對象程序設計思想和關系型數(shù)據庫技術，系統(tǒng)管理軟件的設計采用VC++編程語言開發(fā)。系統(tǒng)管理軟件完成的主要任務有：系統(tǒng)組態(tài)、串行通信管理、數(shù)據存儲、統(tǒng)計分析、異常處理等，前臺完成各子模塊調用及系統(tǒng)工作狀態(tài)的動態(tài)實時圖形化顯示等，后臺負責實時監(jiān)視接收各下層單元發(fā)送的數(shù)據、定時巡檢、進行異常處理和報警處理等。在開發(fā)時，采用模塊化程序設計，這樣可以提高軟件的可靠性、高效性。

（2）教學樓照明控制子系統(tǒng)下位機程序設計：

在此子系統(tǒng)中，下位機程序的主要作用是完成對光照和人員檢測的信號處理，并及時響應控制臺的中斷信號。而單片機作為下位機的核心，主要接收兩部分信號，即被動式熱釋電紅外探測器（噪聲探測器）輸出的開關信號和可見光探測器輸出的室內亮度控制信號，并傳輸?shù)絾纹瑱C中。通過單片機的處理，輸出編碼信號，再通過D/A轉換器和放大電路，控制可控硅的導通角，達到智能照明的目的。下位機程序流程圖如圖4所示，其中照明設備狀態(tài)用變量Flag反映，F(xiàn)lag＝0時照明設備熄滅，F(xiàn)lag＝1時照明設備點亮，并將此變量返回給分控制臺ARM機，以便于分控制臺對個照明設備的控制管理。

3.2 校園園區(qū)景觀照明子系統(tǒng)設計

1）硬件設計

校園園區(qū)景觀照明子系統(tǒng)以定時開關控制為主、自動控制為輔，在下位機結構中加入了定時開關電路，即事先設定常規(guī)照明的起始時間和終止時間，通過單片機編程可定時開關景觀照明設備，具體時間可根據季節(jié)、晝夜長短的變化和節(jié)假日自動進行調整。在常規(guī)照明時間以外，系統(tǒng)探測環(huán)境照度強弱程度和有無人員情況實現(xiàn)自動控制照明設備的開關，并能夠進行LED調光。

圖4 教學樓下位機程序流程圖

2）下位機程序設計

在此子系統(tǒng)中，繼承了教學樓照明控制子系統(tǒng)下位機程序基本思想，并增加了景觀照明系統(tǒng)獨特的功能。在此子系統(tǒng)中，下位機程序的主要作用有兩方面：一是在常規(guī)照明的時間段內開啟照明設備進行正常照明，并及時響應控制臺中斷信號；二是在常規(guī)照明時間以外，根據光照強度和有無人員情況自動控制照明設備的開關和調光，并及時響應控制臺的中斷信號。

4 結束語

基于LED智能照明控制系統(tǒng)具有重要的經濟價值和巨大的市場前景，若能廣泛應用于學校照明，不僅順應了照明系統(tǒng)的整體發(fā)展趨勢，大大提高了學校照明電力的管理水平，還能為校方節(jié)省大量的電費支出，同時，也為學校師生提供了一個更舒適、明亮和高效的學習和工作環(huán)境。

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