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教室照明智能管理系统

2013第九届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛

作品设计报告

教室照明智能管理系统

Classroomlightingintelligentmanagementsystem

设

计

报

告

参赛学校：

西安培华学院

作者：

吴生旺罗奇

指导教师：

***

摘要

当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的障碍。

作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。

尤其现今越来越提倡低碳生活，节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。

但是，在校园内，教室空无一人灯火通明现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。

因此，开发简便、节能、实用的教室灯光智能控制系统具有重要的现实意义。

本文介绍的教室智能灯光控制系统主要是以RS485总线为基础，自定义的通信协议相结合的方式，搭建了一套了较为完善的集灯光智能控制与远程管理功能为一体的系统。

首先，本文结合灯光智能控制控制系统的特点，提出了四种组网方式，权衡这四种组网方式，提出了以RS485总线为教室控制网络，以基于FPGA综合实训平台的EP2C35芯片的开发箱为教室智能控制主机，采用集中管理、节点自动控制的方式对教室灯光进行控制。

其次，本文介绍了教室灯光智能控制系统中使用的电路模块及实现的功能、简单介绍了搭建的硬件框架及主要组成部分，以及由STC单片机组成的教室设备节点最小系统，同时简介了最小系统的统一接口外挂传感器模块、通信接收模块、控制模块等，与主机相组成为一套完整的控制系统。

再次，本文设计了一套采用热释电传感器检测人体信息和光照传感器采集外部环境的光照的系统，并通过微控制器及软件编程的技术实现灯光系统的控制。

系统通过对人体的信号和环境光信号的识别和智能判断，作为教室合理开灯的条件，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。

最后，通过主机上的显示器模块对每个教室节点的状态进行查询，通过通信协议对每个节点传输查询命令，教室节点便把该教室的灯光状态发送到主控制室，便于管理人员进行教室的管理。

本文设计的教室灯光智能管理系统解决了传统开关照明系统结构功能单一，只能人为化控制无法实现自动化等对象缺点。

同时充分利用了自然光照，减少了能源过度的浪费。

关键字：

智能控制系统、RS485总线、通信协议、灯光管理、传感器

Abstract

Nowadays,withtherapideconomicdevelopment,energyshortageshavebecomeincreasinglyprominent,becomeanationaleconomicdevelopmentobstacles.Asanintegralpartofindustrialproductionandpeople'slifeenergytopowerevenmoreso.Especiallyintoday'sincreasinglypromotelowcarbonliving,energyconservationhasbecomeaglobalconsensus,butasacultureofsocialeliteuniversitiesshouldplayarolemodel.However,inthecampus,classroomsemptylightsarecommonoccurrences,whichnotonlycausedaseriouswasteofresources,butalsoontheuniversity'simagecausedaverybadinfluence.Therefore,thedevelopmentofsimple,energy-saving,practicalclassroomlightingintelligentcontrolsystemhasimportantpracticalsignificance.

Firstly,combinedwithintelligentcontrollightingcontrolsystem,thispaperproposesfournetworking,networkingweighthesefourputforwardbytheRS485buscontrolnetworkfortheclassroom,basedoncomprehensivetrainingplatformEP2C35FPGAchipdevelopmentintelligentcontrolboxfortheclassroomhost,centralizedmanagement,automaticnodeinacontrolledmannertocontroltheclassroomlights.

Secondly,thispaperintroducestheclassroomlightingintelligentcontrolsystemusedinthecircuitmoduleandachievethefunction,abriefintroductiontotheframeworkandthemainstructuresofthehardwarecomponents,aswellasthecompositionoftheclassroombytheSTCmicrocontrollerminimumsystemdevicenodes,whilethesmallestsystemIntroductionunifiedinterfacetoexternalsensormodule,thecommunicationreceivermodule,controlmodule,andthehostphaseconsistingofacompletecontrolsystem.

Again,thearticlehasdesignedapyroelectricsensorandlightsensordetecthumaninformationcollectedintheexternalenvironmentilluminationsystemandprogrammedbythemicrocontrollerandsoftwaretechnologytoachievelightingsystemcontrol.Systemthroughthebody'ssignalsandambientlightsignalrecognitionandintelligentjudgment,asaclassroomlightsreasonableconditions,thecompletionofclassroomlightingintelligentcontrollooptoavoidwastingalotofelectricityintheclassroom.

Finally,thedisplaymoduleonthehoststatusofthenodesineachclassroomquery,viaacommunicationprotocolforeachnodetransmitsquerycommand,puttheclassroomclassroomnodestatusissenttothemaincontrolroomlighting,easeofmanagementpersonneloftheclassroommanagement.

Thisdesignofclassroomlightingintelligentmanagementsystemtosolvethetraditionalfunctionofasingleswitchlightingsystemstructurecanonlybecontrivedcontrolobjectssuchshortcomingscannotbeautomated.Takingfulladvantageofthenaturallight,reducingtheexcessiveenergywaste.　　

Keywords:

IntelligentControlSystem,RS485bus,CommunicationProtocol，LightingManagement,Sensor

第1章绪论

随着社会经济和科学技术的发展，能源损耗的问题日益突出．我国教室甚至是公司企业等室内公共场所灯光的智能控制相对缺乏和不完善，大多数是传统式的人工管理，造成很多不必要电能浪费和经济损失，这种浪费与当今的节能理念

相违背。

此外，随着计算机技术的普及和自动化程度不断提高，自动控制灯光的措施还是非常有必要实施的。

为了尽最大的可能节约资源，减少不必要的资源浪费，本文设计了一套可以有效的实现教室灯光的智能控制。

其输入参数主要是人体存在信号和环境光强度信号等外界因素。

环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，实验证明这种方案可以实现对教室灯光进行智能控制。

1.1教室照明智能管理系统的概述

当今许多教室采用比较传统的照明系统：

在主电源经过一个配电箱分出多个支路，这些支路再分别向灯具供电，然后再通过串接在照明中的单双极开关来通断供电线路，所以该控制系统只能通过开关来控制灯具，无法实现比较人性化、多功能化的系统管理。

如在国内外有些灯光控制系统采用声控形式但是其没有经过单片机等芯片的处理使用仍是将采集信号处理后传递给逻辑电路来进行灯光控制，假使外界条件恶劣如有噪声等仍会造成电能的浪费，而且逻辑电路只能实现较少功能，综合而言，整个系统虽然简单但是功能不全，而且无法人性化控制。

现代自动化程度不断提高，计算机技术不断普及应用，教室灯光系统也应朝着更人性化智能化得方向发展。

照明智能管理系统是一种可以自动对周围环境的信号进行采集和判断，然后经过微处理器进行对信号的分析和处理，从而使灯光的状态作出适应性的变化。

与传统的普通开关照明相比，智能灯光照明系统将有助于提高照明控制的智能化程度，使整个照明系统呈现全自动状态；减轻电能消耗，具有良好的节电效果；改善室内工作环境，提高室内人员工作效率；提高照明系统管理水平，大大减少大楼运行、维护和管理费用。

这将使得照明智能管理系统更加适用于楼宇的照明。

教室照明智能控制可以分为信号采集部分、信号处理部分、串口通信三大部分：

信号采集部分，通过传感器元件对周围光照、人员等信号进行采集，是控制教室内灯光状态的条件因素；信号处理部分，是对传感器采集到的信息进行辨别和处理，将收集到的环境信号转化为电信号；串口通信，由于教室节点之间不能相互进行通信，只能与主控制室进行通信，因此选择一种可靠的通信方式至关重要。

系统网络结构一般采用集中式和分散式两种控制方式：

集中式控制管理网络主要是星型拓扑结构，系统中由一个位于网络中心的中央总控制器实现对照明系统的检测与控制策略的实施，各照明节点的控制和数据处理都要由总控制器来完成；分散式网络，所有的子系统都挂接在总线上，各子系统通过通信协议进行信息通讯。

各子系统可以独立完成照明控制。

如果子系统发生故障，其影响性只局限在局部范围，不会扩散到整个系统。

在教室照明智能管理系统的设计中，我们要考虑到以下几个特点：

（1）低成本：

大量的灯具和传感器终端节点是教室控制网络中控制的主要对象，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。

（2）最低能耗：

教室照明智能管理系统是一种能够根据环境的变化进行自我的调节的系统，确定一个最低能耗的工作点显得非常重要。

（3）可维护性：

能够在系统主框架不做改动的情况下进行维护和更新，加入新的电子设备。

（4）简单实用：

教室照明智能控制系统的的电路一般都比较繁琐，怎么才能使之简单、实用是个重点，分散式网络系统解决了这一难题。

1.2教室照明系统的现状与发展

据国家建设部的统计，全国照明用电量大约占发电总量的10％～12％。

对照明场所较多、照明时间较长的如高等学校这样的单位，据测算，其照明用电占学校用电总量的40％左右。

然而，目前我国大部分高校都依赖人工进行教室灯光的管理，常出现教室空无一人却灯火辉煌，只有两三个人却开几十盏灯，或者白天光线足够强却依然开灯。

管理员因教室数量巨大而无法及时对所有的教室都实施有效的控制，经常出现无人时教室开灯，光线充足时也开灯，这就造成了不必要的电能浪费和经济损失。

现代照明除了要满足人的基本生活、学习要求之外，将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。

特别是近年来大厦内利用计算机工作的人员比例上升，不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增加。

所以，要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制设备等，另外，还要选择合适的照明方式和照明控制系统。

因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的的智能化照明系统已经成为必不可少了。

而目前常见的智能照明系统也只是主要应用于办公领域、家居领域、公共设施领域。

而在这些领域内，照明控制系统采用声控形式，其控制形式是将采集到的声音信号处理后传递给逻辑电路来进行灯光控制，假使外界条件恶劣，如有噪声等仍会造成电能的浪费，逻辑电路只能实现较少功能，一般仅适应走廊或门厅使用，比较成熟点的照明智能控制系统主要是运用在比较大型的酒店。

为了体现酒店的高品位及自身形象，传统的硬线控制不能满足节能性、智能性、便捷性、可扩展性的需求，目前酒店的智能照明控制系统已经具备了多样化、组合化、数字化等特点。

目前，比较流行的智能照明控制方式按照技术可划分为三类。

（1）基于多线型的控制方式

多线型智能照明控制系统由两级网络组成，上级网是基于以太网的内部局域网，主要包括系统主机、区域智能控制器及相应工作站，子网是由上位机（楼层通讯工作站）和下位机（区域智能控制器）组成的RS一485总线网络。

区域智能控制网络通常可以由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时钟管理器、手持式编程器和中央控制单元组成，将上述各种具备独立功能的模块用独立的通讯线与中央控制单元点到点的连接，组成一个区域型的控制网络。

（2）基于总线型的控制方式

总线型智能照明控制系统与多线型在控制原理上十分相似，但是由统一的网络组成，结构简单，主要包括系统主机、智能控制器及智能终端模块，智能控制器及智能终端模块分布于现场，在网络中都对应着唯一的地址，通过一根总线电缆可以与系统内的任一设备进行通讯。

（3）基于IP技术的控制方式

IP技术智能照明控制系统是目前市场上技术最先进的控制方式，其控制原理与总线型系统相似，但它已经突破了智能控制网络的界限，直接将照明系统纳入到以太网络或是Internet网络中去，利用TCMP协议为系统中的每一个控制节点甚至是网络灯具都分配了全球唯一的IP地址，由于有了双向高速的传输特性，可以实时远程监控、设置系统所有设备的安全工作情况，系统可在网内多个信息终端实时预警系统故障。

第2章系统方案

2.1教室照明智能控制网络的选择

在照明智能控制系统中，教学楼子网的构建是重中之重。

教室网络的选择一般有以下两个基本原则：

一是教室节点的性能要求，如数据传输速率、可靠性、接入速度等；另一个就是能否满足设计的功能需求。

一般系统网络结构采用集中式和分散式两种控制方式，集中式系统是把所有的功能都集成到主服务器上,这样对服务器要求很高,性能也不好,优点是便于维护,操作简单。

然而这类网络不利的一面是来自所有终端的模块都由主机完成，这类网络处理速度可能有些慢。

分布式系统是把各地不同地理位置的模块集中起来形成一个系统，这种性质使得分布式系统可以减轻服务器的负担，同时系统设计上具有更大的灵活性，可为独立的模块提供特殊的功能。

2.11几种教室组网模型

组网模型有许多种，但是大致可分为两种模型：

无线组网和有线组网。

在针对实际生活中，各有各的优缺点。

无线网络虽然解决了教学楼布线麻烦的缺点，但是由于无线网络的传输速率慢且不稳定，一直是无线网络无法普及的一大缺点。

有线组网继承了智能家居布线麻烦等传统性的缺点，另外可扩展性也比较差。

但是有线网络的传输速率快，使之成为灯光智能控制系统的主流选择。

我们结合了一下三种教室组网的优缺点，提出了以下三套方案。

（1）基于zigbee域网协议的无线组网

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。

它此前被称作“HomeRFLite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。

它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。

最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。

Zigbee的缺点是传输距离短，只介于10～100m之间，对于中长距离的节点难以控制。

（2）基于以太网的局域组网

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。

以太网在互联设备之间的传输信息的速度高（速率为10~100Mbps），同时又具有低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在大多数系统中被广泛采用。

近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。

以太网的连接方式有总线型和星型两大类：

总线型连接所需的电缆较少、价格便宜、管理成本高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。

早期以太网多使用总线型的拓扑结构，采用同轴缆作为传输介质，连接简单，通常在小规模的网络中不需要专用的网络设备，但由于它存在的固有缺陷，已经逐渐被以集线器和交换机为核心的星型网络所代替。

星型连接的以太网管理方便、容易扩展、需要专用的网络设备作为网络的核心节点、需要更多的网线、对核心设备的可靠性要求高。

采用专用的网络设备（如集线器）作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上，这就形成了星型结构。

星型网络虽然需要的线缆比总线型多，但布线和连接器比总线型的要便宜。

此外，星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很大的规模，因此得到了广泛的应用，被绝大部分的以太网所采用。

（3）基于RS-485总线的有线组网

RS-485总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。

RS485传输数据以差分通信，用极性定义了信号的逻辑状态。

传输数据高达一千米以上，最高速率达10Mbps，并且总线上可挂载的设备可达32以上，满足一般工业及智能家居通信的需求。

但RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485总线的运行可靠性至关重要。

2.12基于RS-485总线的有线组网用于教室照明智能管理系统的可行性

教室组网是整个教室灯光智能控制系统的神经与核心，对于教室组网来说必须满足以下几个特点：

（1）可靠性

教室组网要求数据传输的可靠性不能因为干扰或者信道阻塞而下降，要保证主控室主机与教室节点之间安全、无差错的数据传输。

在RS485总线系统中，由于存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如果不注意这些细节的处理，就会出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，为了解决这个缺点，主机在发送数据时，特别在分节点加入了反馈功能，主机得到其反馈信息在作出相应的措施，就避免了其缺点的产生，大大提高了其稳定性、可靠性。

（2）低成本性

教室灯光智能控制系统在教学楼的应用中，会有几十个乃至上百个节点，对于这些节点的开支是相当可观的，我们采用的大多数是市场上主流的芯片和模块，但是价钱却很实惠，可尽可能小为学校节省不必要的开支。

实现真正的低成本，高性能。

（3）可维护性

在教室中设备不会一成不变，而在实际应用中经常需要添加或者减少一些设备节点，当设备节点数目发生变动时，系统应该具备一定的机制扩充网络节点，而不需要改变网络的结构。

在本系统中，我们针对传统照明智能管理可扩展性差的缺点，特意多加了许多没有接灯具或者设备的节点，这些多出来的节点正好补充了节点变动带来的无法扩展的缺点。

2.2教室节点的控制方案

2.21教室节点具有独立控制灯光能力

室节点布置有可以自主控制控制其节点的控制按钮，可以使灯具摆脱周围环境的束缚，显得更具有人性化。

我们为了实现这种功能特意在教室里安装了可人工控制的开关，这样使得可以根据人的的特定需求而使得教室灯光状态作出改变。

我们为教室的照明系统设计了三个开关：

开、关、自动。

当开关调到开时，灯具强制打开，不管教室内有没人和光照强度如何。

开关调到关时，灯具熄灭，而且传感器也处于关闭状态。

当调到自动挡时，灯光状态由周围的光照强度和人员有无的状况决定。

2.22教师节点受主机控制

作为主控制端的主机，应具有能够管理其子系统的功能，起着心脏的作用，故主机上必须能够同时控制所有的教室的功能。

教师的主机安放于主控制室内，主机上具有开关电源控制，可以由一个主控制室控制所有教室的灯光状况，而且主控制器的开关具有优先级，它是整个系统的正常工作的主控制按钮。

这样做的好处就是能够一个地方对多个不同的地方集中式的管理。

2.3教室照明智能管理系统总体方案阐述

本文完成的教室灯光智能控制系统是以RS485为基础，综合了一套自主改编的通信协议建立起来的一套比较完善的灯光控制系统。

设计目的是将教室中的灯具设备组建成一个有线网络，使灯具设备具有网络化、自动化、智能化的特征。

在此基础上运用传感器的元件对教室内光照和人员信号进行采集，通过处理电路对信号进行处理，转换为电信号，传入微处理器。

微处理器具有将电信号识别的功能，同时控制灯具的输出状态。

从功能层次来看，本文的教室照明智能控制系统由教室设备节点、教学楼主机两部分组成。

从网络层次上看，为教室智能控制系统内部网络。

图2-1即为本文总的设计结构图：

图2-1教室灯光智能控制系统总结构图

教室设备节点包括以下三个部分：

收发模块、运算和控制单元、传感模块。

收发模块作为系统中各网络节点的通信接口，进行网络中各节电设备的网络数据或指令的收发。

节点的传感模块，主要进行对周围环境的光照强度和人员的探测，然后检测和控制是否开灯，这种控制或者检测功能需要通过运算和控制单元操作完成。

在本系统中教室设备节点的硬件设备是基于STC52系列单片机，其他传感器模块等设备为辅。

本文介绍的教室照明智能管理系统主机是采用NiosII嵌入式处理器，主机与教室的通讯采用