基于CAN/LIN總線的教學樓智能照明系統(tǒng)

1 引言
智能照明系統(tǒng)在智能辦公大廈、現代化建筑中的研究運用較多，而對于教學樓的研究運用卻很少，導致傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)目前仍被廣泛使用，其基本結構是動力線根據設備控制需求進行分線，用手動開關直接控制電源，不存在控制信息流的概念。本文探討基于CAN/LIN總線的智能照明系統(tǒng)，實現對整個系統(tǒng)的集中管理，降低系統(tǒng)的管理費用。采用可調光電子鎮(zhèn)流器恒照度控制，充分利用日光，真正實現了合理節(jié)能，為學生營造舒適的學習環(huán)境;燈具軟啟動，延長使用壽命，減少了系統(tǒng)的運行費用。

CAN網絡(Controller Area Network)是一種架構開放、廣播式的新一代網絡通信協議。CAN推出之初是用于汽車內部測量和執(zhí)行部件之間的數據通信。能夠以較低的成本、較高的實時處理能力在強電磁干擾環(huán)境下可靠地工作^[1]。LIN 總線是一種低成本的串行通訊網絡，目標是為現有汽車網絡(例如CAN總線)提供輔助功能。在不需要類似CAN的高端汽車總線的帶寬和多功能的場合，使用 LIN總線可以大大節(jié)省成本。在LIN實現的系統(tǒng)中，通常將模擬信號量用數字信號量替換，這將使總線性能得到優(yōu)化。因此，CAN/LIN總線很快由最初的汽車行業(yè)擴展到工業(yè)控制領域^[2]。

2 系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)干線采用CAN總線，支線采用LIN總線。CAN總線具有很高的可靠性，高速、長距離傳輸，開發(fā)系統(tǒng)廉價，其特有的多主傳送方式，可以使各個分機(節(jié)點)根據需要自主發(fā)送數據，無需主機不停地輪詢，節(jié)省網絡上的數據流量，傳輸效能高。CAN總線的上述性能都已固化在CAN總線處理芯片之中，使用極為方便^[3]。LIN總線基于通用UART接口，幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件，網絡采用極少的信號線(一根12V信號總線和一個無固定時間基準的節(jié)點同步時鐘線)，設備硬件成本低^[2]。

數字化可調光電子鎮(zhèn)流器智能照明系統(tǒng)實現的功能^[4]:

(1)分散控制:將控制功能分散給系統(tǒng)每一個子控制器;

(2)全自動調光:使照明系統(tǒng)工作在全自動狀態(tài),系統(tǒng)可設定若干個狀態(tài)，這些狀態(tài)會按預先設定的時間相互自動切換,并將照度自動調整至最佳的工作水平。

(3)在每個控制終端面板上均可觀察到本單元燈的亮滅狀態(tài);

(4)自鎖:若停電,來電后所有的燈均保持熄滅狀態(tài);

(5)自動控制與人為干預相結合，現場設置開關,方便操作;

(6)可在監(jiān)控室實現對整個照明系統(tǒng)的監(jiān)測管理;

2.1 硬件設計^[5]
CAN/LIN總線控制系統(tǒng)示意參見圖1:

圖1 CAN/LIN總線控制示意圖

(1) 系統(tǒng)單元:PC機(帶CAN接口卡)、系統(tǒng)電源、每層樓的子監(jiān)控單元(51單片機8LPC902)、各教室終端控制器(51單片機8LPC902)。PC 機作為主控制器，向各個子單元發(fā)布和接受信息，對整個照明系統(tǒng)進行監(jiān)控，并負責恒照度控制的邏輯運算。子監(jiān)控單元主要負責通訊轉接，在其與CAN總線接口處加CAN/LIN總線網關進行數據轉換。
(2) 輸入單元:單／雙／四鍵開關、室外／室內紅外線感應器、照度傳感器、光電感應器、輔助輸入單元，它們均作為教室控制器的的信號源，LIN總線上的終端控制器地址編號通過撥碼開關設定，其主要負責信號采集和存儲及響應總線要求發(fā)布信息，同時，對采集的信號進行簡單的判斷，以決定各輸出單元的工作狀態(tài)。終端控制單片機采用LIN收發(fā)器來接受發(fā)布信號，內部信號采集采用循環(huán)掃描，時實更新的方法。
(3) 輸出單元:單／雙／四／十二路等繼電器、四／八路調光器、四路模擬輸出單元。
(4) 教學樓樓道作為一個終端子單元開對待，利用紅外線傳感器作為輸入，調用主控機最近一次照度計算值來判斷，不單獨安裝照度傳感器。

2.2 軟件設計
LIN總線上單片機的控制程序框圖(圖2所示):

圖2 終端控制器程序框圖

(1) 智能照明系統(tǒng)中的恒照度控制^[6]

使用光電感應器測得室外陽光的垂直照度后，輸入一個基于遺傳算法的RI模型,估計出室內的桌面照度,再與設定值比較，來控制照明的開關，這樣可以最大限度地利用自然光，達到節(jié)能的目的，也可以提供一個不受季節(jié)與外部環(huán)境影響的相對穩(wěn)定的視覺環(huán)境。該模型與使用室內照度傳感器相比，其優(yōu)點是避免當人工照明打開情況下，判斷接下來的一段時間里，自然光是否足以滿足照度的要求，是否關閉人工照明的困難。一般來講,越靠近窗，自然光照度越高，人工照明提供的照度就越低，但合成照度應維持在設定照度值，如圖3所示龐大群體的活動場所―教學樓，開發(fā)人性化的。

圖3 室內光照示意圖

(2) 軟啟動
燈具采用軟啟動器，開燈時，燈光由暗逐漸變亮，避免亮度的突然變化刺激人眼,給人眼一個緩沖時間,保護學生眼睛，避免大電流和高溫的突變對燈絲的沖擊,保護燈泡,延長使用壽命。
(3) 主控機管理程序
PC機管理程序在Windows2000操作系統(tǒng)下，利用Visual C++開發(fā)，包括系統(tǒng)監(jiān)控、通訊管理、數據運算、命令輸出以及鍵盤顯示等模塊。系統(tǒng)運行時，各教室燈具的工作狀態(tài)以圖形的形式顯示在PC機的顯示器上，各層顯示圖象間可互相切換，形象直觀，操作方便^[7]。

3 結束語
該智能照明系統(tǒng)改善了教室的照明環(huán)境，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中,配有傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器的日光燈以100Hz的頻率閃動,且啟輝時的亮度不穩(wěn)定,而智能照明系統(tǒng)中的可調光電子鎮(zhèn)流器則工作在很高頻率(40~70kHz),克服了頻閃，利于保護學生視力,提高學習效率。該系統(tǒng)的自動調光,充分利用自然光,使室內的照度始終保持在恒定值附近，改善燈具的工作狀態(tài)。光源減弱與壽命的關系如附表^[6]。

附表 光源減弱與壽命的關系