教学楼智能照明系统设计_本科生毕业论文(编辑修改稿)

教学楼智能照明系统设计_本科生毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

西南科技大学本科生毕业论文 5 第 2 章 智能照明控制系统的总体设计分析 系统整体设计方案 考虑教室的智能照明节能，改进照明系统的运行，主要应关注两个方面，合理利用自然光作为辅助光源和根据教室内人数有效开启灯具的数量，这样能够在保证照明质量 的同时有效避免能源的浪费 [3]。 充分地利用自然光找到自然光与灯具开启的最佳平衡状态能够减少能源的损耗并且也保证了采光质量不会受到影响。 根据大学教室的实际使用类型有两种，一种是学生的自习教室，另一种是上课的教室。 因此要设计一种兼顾了个别灯具的单独调光功能也要实现集中的调光与场景化。 智能照明控制系统应该包括 CPU 控制模块、开关驱动模块、调光驱动模块、信号检测模块、无线接收模块、无线控制面板、扩展通讯模块、房间控 制模块、智能传感器、系统编程软件 和计算机监控软件等部件组成。 智能照明控制系统整体系统结构图如图 21。 其 他 控 制 区域电 源 模 块 C P U调 光 驱 动 模 块调 光 驱 动 模 块信 号 检 测 模 块可 控 硅射 灯 回 路 1 射 灯 回 路 8„ „光 照 度 传 感 器可 控 硅无 线 接收 模 块集 成 平 台运 行 管 理 上 位 机以 太 网 T C P / I PC A N 总 线图 21 智能照明控制系统整体系统结构图 利用以太网实现区域化控制 以太网 (Ether)指的是由 Xerox 公司创建并由 Xerox、 Intel 和 DEC 公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。 以太网络使用 CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以 10M/S 的速率运行在多种西南科技大学本科生毕业论文 6 类型的电缆上。 不论是 无论是 10M、 100Mbit/s 还是吉比特以太网，由于信噪比、碰撞检测、可用带宽等原因传输距离都 是 100m。 所以很难得到在其他大领域的应用。 为了适应高带宽的要求和更长传输距离的要求 ,10GE 对 原来的以太网技术也做了很大的改进，主要表现在物理层实现方式、帧格式和 MAC 的工作速率及适配策略方面。 10GE 只在光纤上工作，并只能在全双工模式下操作，这意味着不必使用冲突探测协议，因此它本身没有距离限制 ,使局域网的传输距离最大达到 了 40KM，使得以太网的更大的应用空间。 网络化的控制方式可以让管理员在运行管理 上位机实时 地 得到控制现场的信息 ,并以此 作为控制的依据。 从教学楼的整体出发 ,同时也可以依据教室用途及教学楼的整体环境 ,比如 :可以根据教学楼里正常上课 、 自习 、 集中考试和假期等不同阶段 ,对所有的照明灯具采取综合调控 ,实现较好的照明控制和节能效果。 这样就实现了整个教学楼 的照明都可以通过一台 运行控制管理 计算机控制。 利用 CAN 总线将各个智能照明控制模块连接 各个楼层的控制模块如： 电源模块、 CPU 模块、调光驱动模块、和信号检测模块 都 采用 CAN 总线方式连接， CAN 总线是 ISO 国际标准化的串行通信协议。 由于 CAN 数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其应用范围扩展到了机械工业、机器人、家用电器及传感器 等领域。 CAN 总线能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下工作，已成为工业数据通信的主流技术之一 [11]。 CAN 总线的主要技术特点如下： （ 1） CAN 总线上任意节点均在任意时刻主动地向其他节点发起通信，节点不分主从，通信方式灵活 [12]。 （ 2）将 CAN 总线上的节点信息，按对实时性要求的紧急程度，分成不同的优先级，最高优先级的数据可在最多 134181。 s 内得到传输，以满足控制的通信需要 [13]。 （ 3）采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。 （ 4）只需通过报文滤波便可实 现点对点、一对多等几种方式传输数据，无需专门的“调度”。 （ 5）设有出错检测、标定和自检的强力措施，数据出错率低。 （ 6） CAN 直接通信距离最远就可达 10km（速率小于 5Kb/s），最高通信速率为 西南科技大学本科生毕业论文 7 1Mb/s(此时通信距离为 40m)。 电源模块主要给 CPU模块和 CAN总线功能模块供电，该模块的输 入电源是市电AC220V，输 出电源为 DC24V。 LC3131模块是智能照明控制 系统的 CPU模块，可以通过 CAN总线使用 CANopen协议（主要采用 DS401规范 ）下挂 14个 I/O模块。 与上位机连 接通过 10M/100Mbps以太网。 另外，该模块还 带有 1个 RS232接口 、 1个 RS485接口（预留），可以支持 Modbus协议和自由协议， 1个 CAN总 线接口，用于 跟 I/O模块通讯。 本模块可以跟其他不 同厂商采用 CANopen协议的 I/O模块通讯。 调光驱动模块LA3048开关 /调光驱动 器用 于控制 带模拟调光接口的电子镇流器，接收通过 CAN总线传来的数据，它能控制继电器的输出状态和模拟量的输出，从而达到调光和控制开关的目的。 它还可以直接通过面板上的按键来控制继电器的输出状态和模拟量的输 出 ,需软件支持。 信号检测模块用 于 将外部 照度检测和 移动侦测 等传感器信号接入， 从而达到根据外部事件进行照明控制 和调节的目的。 XI308为建筑照明控 制系统中的综合检测模块，作为控制 系统的组成单元。 其具有检测 010V电压信号和无源开关量信号，并 将其转化为数字信号通过 CAN总线传送给 CPU及其它模块。 可联动消防火灾 报警系统，通过消防报警系统所提供的无源干接点区域信号，切换照明系统。 上课教室系统设计方案 上课教室因为使用的时间都比较固定，并且灯具的开关都比较及时所以不需要进行声光自动控制。 但是上课教室还是有要进行改进与设计的地方。 因为每次上 课的人数不同、时间不同所以灯具开关多少和亮度都不同，还有在上课的过程中灯也需要有不同的变化模式，如在放 PPT时应该将讲台的灯熄灭其他各排的灯由讲台往后依次降低亮度，并且还可以根据需要成比例地加减亮度。 当上课人数比较多时就要求教室中的灯具全部打开并根据实际自然光的光照度增加或降低灯具的亮度。 当上课人数较少时就只打开前几排的灯具降低电力的损耗。 当上完课后需要最简便地将所有灯都熄灭。 将以上几种情况分别作为人多模式、人少模式、放 PPT模式、增减亮模式 和一键开关模式，作为场景固化在无线模块中这样上课时老师只需要通过遥 控器就可以实现不同场景的转换而不需要老师来回地跑来控制教室中的灯具。 手持遥控器 发射 315MHz频段 的无线信号与无线接收模块通信，在不同的按键下编写不同的功能， 可以通过遥控器按键实现照明控制系统的开关、调光及情景控制。 无线接受器接收 315MHz频段的无线遥控数据，并将已经学习记忆过的遥控数据西南科技大学本科生毕业论文 8 通过 CANbus CANopen协议发送 到调光模块 ，用以控制分布式智能照明控制系统中负载的开关和调光。 下图 22是无线控制面板和 教室中灯 的 排放情况。 讲台处灯具讲台一 键 开 关 P P T 模 式人 少 模 式 人 多 模 式增 加 亮 度 降 低 亮 度无 线 控 制 面 板图 22 无线控制面板和教室中灯得排放位置情况 自习室系统设计方案 自习教室是高校教室照明浪费最为严重的地方，常常出现人走了灯还在亮，只有几个人在上自习却把所有的灯都打开了，白天灯也照开不误很少有人自觉地及时关灯所以说造成了很大的浪费。 针对上述问题，作出了如下的分析与方案设计： 1. 为了尽最大的可能性利用自然光的照明时间，减少开灯的时间和杜绝白天开灯的情况，采用光照度传感器来确定什么时候开灯，并且同时确定使之达到什么样的亮度。 即通过编程在不同的光照度之下对应着不同的亮度模式。 2. 为了杜绝 高校中出现的 “长明灯”和“无人亮灯”等现象，减少因未能及时关灯所带来的电能损耗，采用人体感应来确定教室中有没有人。 当教室中有人时打开灯当人员离开教室时自动熄灭灯。 实现“人来灯开，人走灯灭”的智能控制方式。 所以，根据上面两条很容易得出这样的设计方案：综合利用光照度传感器和人体感应。 当光照度不足时并不会立即打开灯，只有人体感应器检测到了对应的灯下有人了之后才打开相应的灯，并根据光照度传感器的具体数据来最终确定所打开灯的亮度是多少。 其他没有感 应到人的对应灯具则不会打开。 自习室智能照明控制系统流程图西南科技大学本科生毕业论文 9 如下图 23所示。 图 23 自习室智能照明控制系统流程图 为了满足教室控制的多元化，在教室现场也设置了调光模块可以通过按键调节灯得亮度，同时也可以通过上位机进行调节。 走廊与洗手间系统设计方案 走廊和洗手间具有人员出现时间的不确定性和所需要提供的照明时间短等特点不适合将灯一直打开，在光照度不足的情况之下并且有人经过或者进入才将灯打开并且 在人员离开后自动再将灯关闭。 采用人体传感器和光照度传感器综合使用 的方法来控制。 工作流程图如图 24所示： 开 始数 据 采 集是 否 有 人是 否 低 光 照 度打 开 灯 并 进 行 程 序延 时NNYY 图 24 走廊与洗手间 智能照明控制系统流程图 西南科技大学本科生毕业论文 10 上位机监控面板 设计 上位机采用 PC机 ,利用 PC机的 10/100M通讯接口， Modbus/TCP协议 ,实现与教室照明控制器的通讯。 上位机是整个教室智能照明控制系统的核心 ,其功能是接收教室控制器所发送的现场采集的数据 ,通过编写的照明控制策略程序的判断 ,给出照明控制命令 ,并发送回教室控制器 ,从而控制照明灯具的开关。 其系统软件由 VisualBasic语言开发 ,后台连接 Access数据库来存储和管理数据。 通过上位机的系统管理员还可以远程掌握教室现场的光照度 、 室内人数 、 灯具开关情况等。 西南科技大学本科生毕业论文 11 第 3 章 智能照明控制系统的硬件设计 数据采集模块的设计 为了对教室中的灯进行智能照明控制， 必须借助传感器来检测使用环境中的光照强度和室内占用情况等参数 ,来确定灯具的开关时刻及开关位置 ,以便在节能的同时 ,为使用者提供较好的视觉舒适度。 所以 ,用于照明控制的数据采集模块主要包括教室内光照度采集和室内人体感应两部分。 室内光照度采集 1. 光照度探测研究 （ 1） 光源在单位时间内向周围空间辐射出去的，并能使人眼产生光感的能量，称为光通量，以符号 φ表示，单位为 lm（流明）。 人 眼对不同波长的可见光 具有不同的灵敏度，对黄绿光最敏感。 人们比较几种波长不同而辐射能量相同的光时，会感到黄绿光最亮，而波长较长的红光与波长较短的紫光都暗的多，因此不能直接以光源的辐射功率来衡量光能量，而要采用以人眼 对光的感觉量为基准的基本量 — 光通量来衡量。 常见光源的光通量见表 31。 表 31 常用灯源的光通量 光源种类 光通量 /lm 光源种类 光通量 /lm 太阳 1028 荧光灯 20W 1200 月亮 81016 荧光灯 40W 3300 蜡烛 荧光灯 100W 9000 卤钨灯 500 10500 汞灯 250 10500 钠灯 60W 5000 汞灯 400W 21500 白炽灯 100W 15700 汞灯 700W 39500 白炽灯 1000W 21000 荧光汞灯 400W 21000 西南科技大学本科生毕业论文 12 （ 2） 光照度是指物体表面被照明的程度。 由发光体发出的光能 ,在单位时间内通过某一截面的光能数量 ,叫光通量。 光通量的数量越大 ,即表示该发光体所发出的可见光就越强。 光通量的计数单位以流明表示。 照度为照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。 照度的符号为 E(Ev)。 单位为勒克斯 (流明 /单位面积 ),符号为lx,1lx=1lm/m2。 其数学表达式为 : dd E s φ 其中， φ— 光通量， S— 面积。 1lx相当于 1m2被照面上接收到的光通量为 1lm照度。 在夏季阳光强烈的中午，地面照度约为 50000lx。 在冬季的晴天，地面照度约为 2020lx。 而在晴朗的月夜，地面照度约为。 对于不同的工作场所，根据工作特点和保护 视力的要求，国家规定了相应的照度值。 学校建筑照明的照度标准值如表 32所示。 表 32 学校建筑照明的照度标准 房间或场所 参考平面及其高度 照度标准值（ Lx） UGR Ra 教室 课桌面 300 19 80 实验室 实验桌面 300 19 80 美术室 桌面 500 19 80 多媒体教室 水平面 300 19 80 教室黑板 黑板面 500 80 照度标准值表中的 UGR为统一眩光值评价， Ra为显色指数。 其中， Ra值越大，光源的显色性能越好。 2 .光照度传感器的选择 为了探测 室外的光照度来确定天是否黑暗要用到光照度传感器。 光照度传感器采用光敏探测器，将光照强度转换为电。