肖春華，張洪濤

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

目前，國(guó)內(nèi)教室照明絕大部分是采用普通的白熾燈照明，人工控制方法[1]。這樣，往往造成過(guò)度照明，形成極大浪費(fèi)，更無(wú)法及時(shí)反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況，并且故障率高，維修也不方便，大量增加維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用，不利于教室的管理和走可持續(xù)發(fā)展道路。

為了解決這一矛盾，計(jì)一種基于教室LED照明智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能充分發(fā)揮LED的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“按需照明”的理念，起到“人來(lái)燈亮，人走燈滅”的調(diào)光作用，達(dá)到良好的節(jié)能效果，并且具備對(duì)故障自動(dòng)偵測(cè)、報(bào)警具有實(shí)時(shí)性好、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，極大地縮短了由人工定期巡查檢測(cè)的時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度。所選用器件成本低，穩(wěn)定性好，具有提高產(chǎn)品附加值的作用。該系統(tǒng)具有很好的可維護(hù)性和拓展性，應(yīng)用前景十分看好。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該教室照明控制系統(tǒng)由在遠(yuǎn)端監(jiān)控室的主控機(jī)和分布在各個(gè)教室的從機(jī)組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。本系統(tǒng)是基于ARM與51單片機(jī)架構(gòu)的控制系統(tǒng)，其中ARM作為主控機(jī)的主控制器，51單片機(jī)作為從機(jī)主處理器使用。ARM主控制器主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)的管理和調(diào)度，同時(shí)給用戶(hù)提供操作方便、簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面。作為遠(yuǎn)端從機(jī)的主控制器，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)教室LED燈具的智能控制，以及執(zhí)行由監(jiān)控室主控機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的對(duì)LED燈具的控制命令。主控機(jī)和從機(jī)之間通過(guò)485總線(xiàn)進(jìn)行通信。圖1中只給出了主控機(jī)與一個(gè)從機(jī)之間的通信框架圖，事實(shí)上，由于主控機(jī)與從機(jī)之間是通過(guò)485總線(xiàn)通信，所以可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)多個(gè)從機(jī)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖Fig.1 Schematic diagram of the syatem

2 硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主控機(jī)中主處理器采用的是Samsung公司的S3C2440處理芯片。S3C2440是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC架構(gòu)的處理器，其體積小、低功耗、成本低、性能高，支持 Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。主頻可高可達(dá)400 MHz，運(yùn)算速度快，片內(nèi)集成度高[2]。主控機(jī)集成了GSM通信模塊、LCD顯示模塊、用于在監(jiān)控室進(jìn)行語(yǔ)音提示的語(yǔ)音模塊，顯示器顯示當(dāng)前的燈具運(yùn)行情況，包括熄滅狀態(tài)、智能調(diào)光狀態(tài)、是否有燈具損壞等。管理員可以通過(guò)手機(jī)利用SMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)同GSM模塊的通信，主控機(jī)通過(guò)485總線(xiàn)將控制信息傳送到遠(yuǎn)端的從機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)控。同樣，管理員也可以在監(jiān)控室通過(guò)主控機(jī)上的鍵盤(pán)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述功能。

主控機(jī)對(duì)從機(jī)的控制是一對(duì)多的關(guān)系，在以夠用和經(jīng)濟(jì)的原則下，項(xiàng)目組采用STC12C5A60S2作為分布在各個(gè)教室以及單個(gè)教室不同區(qū)域的從機(jī)的主控芯片。STC12C5A60S2是一款具有A/D轉(zhuǎn)換功能的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位輸入型A/D轉(zhuǎn)換（250 k/s），可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。用戶(hù)可將任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。從機(jī)集成了煙霧傳感器、光敏電阻（本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用2個(gè)光敏電阻，一個(gè)用于檢測(cè)燈具損壞，一個(gè)用于采集自然光強(qiáng)）、紅外熱釋電傳感器、LED控制電路、揚(yáng)聲器和LED照明燈具。從機(jī)的工作原理是利用紅外熱釋電傳感器測(cè)量是否有人進(jìn)入教室、在教室的哪個(gè)區(qū)域，進(jìn)而對(duì)該區(qū)域的燈具進(jìn)行控制。利用光敏電阻進(jìn)行照度測(cè)量，進(jìn)而確定是否有照明需求，結(jié)合LED控制電路，利用PWM對(duì)LED燈具進(jìn)行智能調(diào)光，實(shí)現(xiàn)燈具亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)具有開(kāi)機(jī)自檢功能，強(qiáng)制將所有燈具點(diǎn)亮，并使其工作在最大亮度狀態(tài)，利用光敏電阻測(cè)出此時(shí)的LED光照強(qiáng)度，通過(guò)與事先經(jīng)測(cè)試得出的值相比較，確定是否有燈具損壞，如果出現(xiàn)燈具損壞的情況，通過(guò)485總線(xiàn)與上位機(jī)通信，在監(jiān)控室內(nèi)，LCD會(huì)提示報(bào)修，并且語(yǔ)音模塊也會(huì)語(yǔ)音提示報(bào)修信息，同時(shí)通過(guò)GSM模塊給管理員打電話(huà)和發(fā)短信報(bào)修，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)修。為了最大化節(jié)能，可以根據(jù)實(shí)際的作息時(shí)間，定時(shí)強(qiáng)制關(guān)閉所有燈具，管理員可以在主機(jī)上修改定時(shí)關(guān)閉燈具的時(shí)間，操作靈活、方便。作為附加功能，利用傳感器，對(duì)室內(nèi)的環(huán)境指標(biāo)（如溫濕度、CO2濃度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 LED控制模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)芯片選擇PT4115恒流驅(qū)動(dòng)芯片，適合綠色照明LED燈的驅(qū)動(dòng)電路。它具有較寬的直流8～30 V輸入電壓范圍，擊穿電壓大于45 V，輸出200～1 200 mA恒定直流，可滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮1～7顆串聯(lián)的大功率LED，驅(qū)動(dòng)恒流大小可按應(yīng)用方案設(shè)定[3]。PT4115采用頻率抖動(dòng)技術(shù)有效地改EMI，采用從滿(mǎn)量程向下到零的PWM調(diào)光，安全可靠，調(diào)光比可達(dá)5000:1。PT4115內(nèi)置功率開(kāi)關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過(guò)DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當(dāng)DIM的電壓低于0.3 V時(shí)，功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)。PT4115的工作效率高達(dá)97%，是真正的綠色驅(qū)動(dòng)IC。本項(xiàng)目在具體設(shè)計(jì)燈具時(shí)，每個(gè)燈具均采用7個(gè)1W/3.0V的LED串聯(lián)而成，完全滿(mǎn)足照明需求。具體的硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 LED調(diào)光控制電路Fig.2 Circuit of LED dimming control

3.2 PWM調(diào)光技術(shù)

STC12C5A60S2內(nèi)置PWM電路，可以根據(jù)需要產(chǎn)生占空比不同的PWM。在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，為了最大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能，設(shè)計(jì)了占空比分別為 0%、30%、60%、90%和 100%的PWM調(diào)光，燈具具體工作的亮度取決于教室是否有人存在、教室當(dāng)前的自然光強(qiáng)的強(qiáng)度以及當(dāng)前是否是處于允許照明時(shí)間（教室開(kāi)放時(shí)間）。

軟件實(shí)現(xiàn)也比較方便，只需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)函數(shù)即可。分別是PWM初始化函數(shù)Init_PWM（）與調(diào)整脈沖寬度函數(shù)Set_PWM（unsigned char PWMdat0，unsigned char PWMdat1）。具體實(shí)現(xiàn)如下：

void Init_PWM（）

{

CMOD=0x00；//PCA初始化

CCON=0x00；//選擇系統(tǒng)時(shí)鐘/12為計(jì)數(shù)脈沖，則PWM的頻率f=sysclk/256/12

CCAPM0=0x42；//允許 P13作為 PWM 輸出

CH=CL=0； //PCA的16位計(jì)數(shù)器的高低八位

CCAP0H=CCAP0L=0； //占空比

PCA_PWM0=0； //占空比的第九位為0

CR=1； //啟動(dòng)PCA計(jì)數(shù)

}

void Set_PWM （unsigned char PWMdat0，unsigned char PWMdat1）

{

PCA_PWM0=PWMdat0；

CCAP0H =PWMdat1；//PWMdat1為根據(jù)實(shí)際需求而設(shè)定的修改占空比的參數(shù)，為0x00

//時(shí)控制燈具處于最亮狀態(tài)，為0x30、0x60、0x90與0xff時(shí)分

//控制燈具處于30%亮度、60%亮度、90%亮度以及熄滅狀態(tài)（相對(duì)

//于最大亮度）。

}

3.3 GSM網(wǎng)絡(luò)通信模塊程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是SIM300無(wú)線(xiàn)通信模塊，采用ZIF連接器外接SIM卡，CPU通過(guò)發(fā)送AT指令與SIM300進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)打電話(huà)、接收和發(fā)送短信等通信功能[4]。

模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。GSM與MCU通信是通過(guò)發(fā)送AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用GSM串口調(diào)試助手調(diào)試GSM模塊。

GSM模塊在本項(xiàng)目運(yùn)用中，主要有四部分程序設(shè)計(jì)，即GSM網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)程序設(shè)計(jì)、CPU識(shí)別并處理GSM模塊接收來(lái)自管理人員的短信程序設(shè)計(jì)、GSM模塊向管理員發(fā)送短息程序設(shè)計(jì)以及GSM模塊向管理員打電話(huà)程序設(shè)計(jì)。限于篇幅，筆者主要討論GSM發(fā)送短信以及ARM處理器識(shí)別與處理來(lái)自管理員發(fā)送的控制命令短信。

3.3.1 GSM發(fā)短信程序設(shè)計(jì)

英文短信實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便，筆者在此主要討論中文短息的發(fā)送。

首先需要將預(yù)接收短信的號(hào)碼進(jìn)行16進(jìn)制編碼。編碼的方法是在號(hào)碼后面加F，然后將相鄰奇偶位換位即可。

其次是對(duì)欲發(fā)送的信息內(nèi)容進(jìn)行編碼。采用 “漢字/Unicode互換工具”進(jìn)行編碼，操作方便，只需要在該軟件“雙字節(jié)漢字”欄中填入如要編碼的漢字，然后點(diǎn)擊 “漢字轉(zhuǎn)Unicode”，在“Unicode碼”這一欄中會(huì)自動(dòng)顯示轉(zhuǎn)化后的16進(jìn)制 Unicode碼[5]。

圖3 GSM發(fā)送短信流程圖Fig.3 Flow chart of GSM send message

再次是進(jìn)行PDU格式編碼。PDU編碼格式為001100（前序）+0D（目的號(hào)碼長(zhǎng)度）+91（中國(guó)地區(qū)接入碼）+86（國(guó)際接入碼）+目的手機(jī)號(hào)碼+0008（發(fā)送方式為8bit）+A7（信息保存時(shí)間）+信息長(zhǎng)度+短信內(nèi)容 （Unicode）[6]。

GSM發(fā)送短信的流程圖如圖3所示。

3.3.2 ARM處理器識(shí)別并處理短信程序設(shè)計(jì)

GSM模塊在接收到AT指令與管理員發(fā)送控制命令短信時(shí)均會(huì)通過(guò)串口向ARM發(fā)送反饋信息，在程序設(shè)計(jì)時(shí)定義數(shù)組gsm_data[]接收來(lái)自GSM的反饋信息。其中，在收到短信的反饋信息中會(huì)包含"+CMGS"字符，通過(guò)調(diào)用strstr（gsm_data，"+CMTI:"）函數(shù)即可識(shí)別GSM是否接收到短信。然后向GSM發(fā)送讀取短信的AT指令A(yù)T+CMGR=1，gsm_data[]即可接收短信內(nèi)容。根據(jù)本項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析，只需要識(shí)別gsm_data[74]與gsm_data[75]中的數(shù)據(jù)即可識(shí)別來(lái)自管理員的遠(yuǎn)程控制命令，并可以向在遠(yuǎn)端的從機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制命令。現(xiàn)以1號(hào)房間的控制為例加以說(shuō)明。gsm_data[75]中的數(shù)據(jù)如果為‘0’，則向從機(jī)發(fā)送強(qiáng)制點(diǎn)亮1號(hào)房間燈具命令。如果為‘1’，則向從機(jī)發(fā)送強(qiáng)制關(guān)閉1號(hào)房間燈具命令。如果為‘6’，則向從機(jī)發(fā)送智能調(diào)光命令。如果為‘8’，則向從機(jī)發(fā)送強(qiáng)制點(diǎn)亮所有房間燈具命令。如果為‘9’，則向從機(jī)發(fā)送強(qiáng)關(guān)閉所有房間燈具命令。ARM處理器識(shí)別并處理短信流程圖如圖4所示。

圖4 ARM處理器識(shí)別并處理短信流程圖Fig.4 Flow chart of ARM identification and processing message

5 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)目前國(guó)內(nèi)教室白熾燈照明、手動(dòng)控制方式、過(guò)度照明的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了LED教室智能照明系統(tǒng)，管理員在監(jiān)控室可以手動(dòng)遠(yuǎn)程控制教室照明，同時(shí)也能夠利用SMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)教室的照明進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，能夠?qū)崿F(xiàn)燈具故障實(shí)時(shí)報(bào)修。設(shè)計(jì)成本低，軟件模塊化編程，修改靈活方便。該系統(tǒng)具有較高的附加值，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)能夠真正實(shí)現(xiàn)教室的綠色照明，克服傳統(tǒng)照明維修強(qiáng)度大、維修成本高的缺點(diǎn)，應(yīng)用前景好。

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