摘 要： 針對學(xué)校教室照明的舒適性、節(jié)能性以及智能化管理的需求，設(shè)計了一種新型教室智能LED照明系統(tǒng)。系統(tǒng)以PC機(jī)作為中央控制器，以PIC16F873A作為微控制器，利用RS485作為通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)整個教學(xué)樓教室LED燈的自動開/關(guān)燈和PWM調(diào)光。
關(guān)鍵詞： LED；LabVIEW；PIC16F873A；RS485
目前大部分學(xué)校的照明系統(tǒng)均存在電能浪費現(xiàn)象，例如，白天照度達(dá)標(biāo)的時候很多教室內(nèi)的燈仍然全部打開；或者教室內(nèi)只有幾個人甚至沒人時，燈仍全部或部分開啟，這些現(xiàn)象造成了學(xué)校電力資源的巨大浪費。同時，現(xiàn)在學(xué)校教室內(nèi)照明普遍采用的是傳統(tǒng)的熒光日光燈，在節(jié)能和環(huán)保方面均存在問題：附加的鎮(zhèn)流器功耗較大，開啟時需要輔助高壓；日光燈管內(nèi)置的水銀在廢棄時無法處理，成為污染環(huán)境的公害。
近年來，LED照明作為21世紀(jì)的新型光源發(fā)展迅速，LED具有諸多優(yōu)點，如保健護(hù)眼、高效節(jié)能、環(huán)保無污染、壽命長以及控制靈活。隨著技術(shù)的發(fā)展，大功率LED燈成本不斷下降，其市場會有爆炸性的發(fā)展[1]。
本文設(shè)計了一套教室綠色智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計分為上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)采用PC機(jī)作為中央控制器，通過LabVIEW軟件實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能管理；下位機(jī)采用PIC16F873A作為微控制器，通過采集各個教室內(nèi)各處光線強(qiáng)弱來自動調(diào)節(jié)教室各點LED燈光亮度；為了減少系統(tǒng)成本，系統(tǒng)采用現(xiàn)成的網(wǎng)線實現(xiàn)RS485通信，并利用軟件協(xié)議來實現(xiàn)上位機(jī)與多個教室下位機(jī)之間遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計將以杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院5號教學(xué)樓為研究對象，開發(fā)一套綠色智能照明系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
該系統(tǒng)主要包括下位機(jī)系統(tǒng)(微控制器電路)的設(shè)計、上位機(jī)(中央控制器)管理系統(tǒng)的設(shè)計以及它們之間的通信程序設(shè)計。該照明系統(tǒng)在每棟教學(xué)樓設(shè)立一個中央控制站(PC機(jī))作為整個系統(tǒng)的智能管理監(jiān)控中心，在每個教室獨立設(shè)置一個由微控制器(PIC16F873A)和多個LED驅(qū)動器以及光敏/電流傳感器組成的模塊化設(shè)計單元。每個設(shè)計單元中的微控制器通過采集本教室內(nèi)各點光線強(qiáng)弱來調(diào)節(jié)教室各處LED日光燈的電流，使教室的照明穩(wěn)定舒適，以利于節(jié)電和保護(hù)視力。而各個教室LED燈和光敏傳感器的數(shù)目則由教室本身面積大小決定。
同時，中央控制器(PC機(jī))通過LabVIEW軟件實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化管理，如：每學(xué)期初可由工作人員將本學(xué)期教室的實際上課情況輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過處理后自動將該教學(xué)樓的每個教室的熄燈定時時間發(fā)送給各個下位機(jī)，以實現(xiàn)自動熄燈管理。另一個常用功能是，中央控制器為每個教室的LED工作情況建立工作日志并實現(xiàn)故障報警功能，工作人員可隨時監(jiān)控每個LED的工作情況，一旦有故障，可及時進(jìn)行維護(hù)修理。此外，為了減少系統(tǒng)成本，系統(tǒng)采用現(xiàn)有的RS485作為通信網(wǎng)絡(luò)，并利用軟件協(xié)議來實現(xiàn)上位機(jī)與多個教室下位機(jī)之間遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。
2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計
每個教室采用模塊化設(shè)計，包括一個PIC16F873A微控制器、LED驅(qū)動器、LED燈以及光敏/電流傳感器等主要器件。該單元模塊主要實現(xiàn)教室內(nèi)光線的采集與處理、LED的自動調(diào)光控制、手/自動熄燈控制以及與上位機(jī)之間的通信功能。模塊單元設(shè)計如圖2所示，為了減少成本，每個LED驅(qū)動器為兩路LED燈串聯(lián)供電。
2.1 硬件電路設(shè)計
下位機(jī)電路主要包括PIC16F873A單片機(jī)最小系統(tǒng)、光敏電阻采樣電路、電流采樣電路、LED驅(qū)動電路、D/A調(diào)壓電路、RS485通信接口電路等。
LED驅(qū)動電路采用英飛特電子有限公司的EUC-025S035DS作為LED低壓恒流驅(qū)動器，它包含一個高效率的電源轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部電路來實現(xiàn)市電調(diào)光兼容性，具有高效率、高可靠性、長壽命、輸入電壓范圍寬、低壓恒流等優(yōu)點，并具有良好的線性調(diào)光功能。
D/A調(diào)壓電路采用一個PWM與一個低通濾波器結(jié)合，用作簡單廉價的D/A轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)LED的調(diào)光控制信號。電阻/電容值用計算機(jī)模擬仿真后分別選擇為10 kΩ和4.7 μF。
RS485通信接口電路采用MAX487芯片，選擇異步工作方式，采用標(biāo)準(zhǔn)的NRZ碼，串行信息的編碼方式采用的是1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，波特率值選為19.2 Kb/s。
2.2 軟件程序設(shè)計
軟件程序設(shè)計主要由主程序、A/D采樣程序、PWM程序、RS485通信程序以及中斷服務(wù)程序等組成。系統(tǒng)開始工作后主程序首先對單片機(jī)內(nèi)部及外部的資源初始化，然后根據(jù)接收到的PC機(jī)指令，執(zhí)行相應(yīng)的處理。PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送5個命令：0x01~0xfa表示PC機(jī)分別選擇1號~250號教室PIC控制器開始進(jìn)行操作；0xff表示PC機(jī)完成對當(dāng)前教室的控制，結(jié)束本次通信；0xfb表示PC機(jī)發(fā)送開燈信號，相應(yīng)繼電器吸合控制LED亮；0xfd表示PC機(jī)發(fā)送滅燈信號，相應(yīng)的繼電器斷開控制LED滅；0xfe表示PC機(jī)發(fā)送省電模態(tài)信號，PIC進(jìn)入休眠狀態(tài)，以低功耗方式運行。
系統(tǒng)初始化包括對PIC單片機(jī)各個I/O端口方向功能設(shè)置、A/D工作方式設(shè)置、異步串行通信波特率和工作方式設(shè)置、PWM周期設(shè)置，以及允許A/D轉(zhuǎn)換中斷和串行接收中斷等。A/D采樣程序、PWM程序、RS485發(fā)送程序均在中斷服務(wù)程序中完成。
3 上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計
LabVIEW是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件[2]。考慮到本項目采用RS485通信并且要實現(xiàn)多路的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，因此本系統(tǒng)上位機(jī)智能管理軟件采用LabVIEW平臺開發(fā)，其主要的功能界面如下：
(1)上位機(jī)通過圖3所示的輸入界面獲取某教室使用情況，經(jīng)軟件處理分析后得到該教室開/熄燈時刻表，并根據(jù)該時刻表來控制該教室內(nèi)LED的開/關(guān)燈。
(2)上位機(jī)通過RS485通信獲取各個教室的LED工作情況，實時監(jiān)控各個LED燈的狀態(tài)，并記入日志。若照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能及時故障報警，如圖4所示。
4 RS-485多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)
要實現(xiàn)一棟樓宇內(nèi)的智能照明控制，需要解決多個教室微控制器間遠(yuǎn)距離通信的問題，因此本項目采用RS-485通信，并通過相應(yīng)的軟件協(xié)議來保證數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。
RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達(dá)200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。使用RS-485總線，一對雙絞線就能實現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，設(shè)備簡單、價格低廉、能進(jìn)行長距離通信的優(yōu)點使其得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計的多機(jī)通信結(jié)構(gòu)如圖5所示。
本系統(tǒng)設(shè)計的教室智能LED照明系統(tǒng)具有如下特點：
(1)舒適環(huán)保：采用綠色環(huán)保的LED燈來取代傳統(tǒng)的日光燈，輔以自動調(diào)光技術(shù)使光線穩(wěn)定舒適，有利于保護(hù)視力。
(2)高效節(jié)能：采用高效率的開關(guān)電源技術(shù)、手/自動熄燈定時控制技術(shù)，可以節(jié)約電能20%~50%。
(3)模塊化設(shè)計：樓宇內(nèi)各個房間之間保持獨立，每個房間為基本模塊設(shè)計單元，具有良好的擴(kuò)展性。
(4)智能控制中心：每棟樓宇都配有一個中央智能管理中心，負(fù)責(zé)管理和監(jiān)控整個樓宇的照明系統(tǒng)，并具有良好的用戶界面。
該系統(tǒng)也可適用于寫字樓、工廠、商場、學(xué)校、居家等室內(nèi)照明場所，具有較高的實用價值和良好的推廣應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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