室内灯光自动控制系统的设计及实现-物理与电信工程学院毕业论文

室内灯光自动控制系统的设计及实现-物理与电信工程学院毕业论文内容摘要：

3。 30 附录 A：外文文献原文 31 附录 B：外文文献译文 37 附录 C：部分程序清单 42 附录 D：元器件清单 46 附录 E：实物图 47 陕西理工学院毕业论文 第 1 页 共 46 页 引言 物换星移，几多腾飞，世界已不再是油灯烛火的时代，射灯、玄关灯、霓虹灯等各种灯光充斥于世界的每个角落，展示着她们妖娆的身姿和炫丽的色彩。 现如今，虽然低碳生活越来越成为一种时尚，节约能源也成为一种全球共识，但是好多地点室内灯火 通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也大大阻碍了低碳环保的号召。 面对日益突出的能源问题，越来越多的学者和研究者从各个方面密切关注着节能问题，也做出了不少的贡献。 现代照明除了满足人们基本的生活、学习要求之外，将更注重能源的节省和使用上的便利，从而满足人类工程照明学个性方面的要求。 特别是近年来，商业大厦内利用计算机工作的人员比例大幅度上升，不同视觉要求的复杂程度大大增加。 所以，要做到合理、经济、节能的目标，首先应采用先进成熟的科技和产品，如电光源、灯具、材料、照明控制设备等，此外，还应 选择合适的照明控制方式和照明控制系统。 智能家居作为一种新概念已经问世，它利用先进的计算机科学技术、嵌入式系统开发技术和网络通信技术等，将家庭生活中的各种家电设备连接到一起，让用户采用更方便的方式管理家庭中的各种家电设备 [1]。 智能家居涵盖了家具生活的各个方面，包括电视、电脑、电冰箱、窗帘及灯光等，在工作压力越来越繁重的今天，人们更希望有一个智能化的家，在劳累一天回家之后，灯光自动打开欢迎主人回家，家用电器能够自动给的烧水，喜欢的电视节目也会自己播放，完全不用自己动手收拾。 伴随着智能化服务体系的进入，智能灯 光控制研究的必要性也就不言而喻了。 智能灯光系统是对灯光进行智能控制与管理的系统，跟传统照明相比，它可实现灯光软启、调光、一键场景、一对一遥控及分区灯光全开全关等管理，并可用遥控、定时、集中、远程等多种控制方式，甚至用电脑来对灯光进行高级智能控制，从而达到智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能 [2]。 总而言之，照明系统是我们生活中最为常用，最为基础的系统。 它的智能化无疑会给生活带来深刻的影响。 它不仅大大方便了我们的生活，也许它还会从一定程度上改变人们的生活方式，从而提高人们的生活质量。 基于以上种种原由，室 内灯光自动控制系统的设计无疑就成为其中一项核心研究课题。 因此，适应不同个人、不同工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经必不可少。 而且技术成熟、使用方便的智能灯光控制系统的普及也是大势所趋。 本研究就是 从节能、便捷和个性化的目的出发， 针对解决用电量浪费的现象和室内灯光控制的现状，在兼容传统控制方式的同时，运用单片机控制原理 [3]，将热释红外传感器、光强检测采集的数据统一处理 [4]，根据逻辑算法，决定灯光在什么时候，什么情况下，自动开启那些灯光场景， 研究该系统的需求应用及控制方式，希望将从各方面达到 人性化的控制要求。 陕西理工学院毕业论文 第 2 页 共 46 页 在智能化的 21 世纪潮流中，各国经济持续高速发展，人类社会的进步越来越依赖于资源的开发与利用，然而与日俱增的能源需求和有限的资源数量之间形成了巨大的矛盾 ,能源短缺问题日益研严峻，成为制约一个国家经济发展的“瓶颈”。 我国的能源总储量虽然不低，但是人口众多，再加上单位产值的能耗是发达国家的 3 至 10 倍，所以人均储量就少得可怜。 世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而能源之间的战争也越演越激烈。 从生态环境和自然资源角度出发，能源问题也是制约我国长期可持续发展战略中的一个 关键性因素 [5]。 此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定产生很大影响，许多小的斗争都是由此而发的，譬如例如美国和伊拉克之间的石油争夺战，我国和日本之间的钓鱼岛之争等。 在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是最符合可持续发展要求的。 目前智能控制室内灯光，在国内外己经开始采用，但仍受环境、产品成本、发展状况及经济条件的限制，室内灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，绝大部分依然是传统的人工管理方式。 各类高校不断地扩招，教室不断地扩建，用电负荷不断加大 ，加之用电管理不善，同学们自觉节能意识薄弱，电能浪费现象随处可见 [6]。 同时，许多智能建筑的房间或楼道不管是否有人，也不管有多少人，灯光经常是从早到开到晚，这在很大程度上白白浪费诸多电能。 其次，自动化程度也在不断提高，由于计算机技术的普及，灯光管理也应朝着自动化、智能化的方向发展。 于是，开发简便、实用的室内灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。 研究现状 从 20 世纪 60 年代白炽灯的问世，再到 20 世纪 90 年代国外新型照明控制系统的出现，使得建筑照明由传统手的动控制走向计算机控制或无人控制的新世界。 自美国 1984 年建成第一座智能建筑以来，智能化在世界范围内以一种崭新的姿态和技术迅速展开，尤其是在日本、新加坡、中国台湾等国家地区。 但是，智能灯光控制系统受到技术水平、产品价格、消费意识、市场环境等因素的影响，其发展一直处于原地踏步或起色不大的状态 [7]。 在国外，智能灯光控制系统只是作为智能产品的子系统来开发，由于定位过高，使广大普通消费者可望而不可及。 在国内，智能灯光系统与其他生活智能产品一样，推广力度往往不够，而人们的消费观念又比较传统，所以大部分科研单位及商家都不敢投注过多的精力和财力 [8]。 目前，在市场上 出现的几种智能灯光控制系统，主要将研究的重点放在控制手法上，譬如，如何实现灯光设备的无线连接，如何实现控制协议的最优化，如何实现预定方案的全面化和智能化。 故而造成了对照明效果的忽视。 我国在 1989 年着手编制的《民用建筑电气设计规范》中，开始涉及智能建筑的概念 ,并提及了自动化控制 ,直到 90 年代初，智能建筑这一概念才广泛被人们所认识，特别在 19931995 年期间 , 举国上下许多房地产商都以“智能建筑”、“全智慧型建筑”、“ 3A 型智能建筑”和“ 5A 型智能建筑”等为建筑标 ,兴建了许多智能化的建筑 [2]。 近几 年，高层建筑飞速发展，这种智能型照明控制系统已悄然无声的进入了我国建筑行业。 目前，上海金茂大厦，山东世界贸易中心等建筑已使用了这种灯光控制系统。 在无电不能正常生活的今日，自然资源环境形势又是那么的严峻，世界各国都在采取不同的方式方法来研究灯光系统的智能控制，旨在降低能耗，节约能源。 比如，澳大利亚奇胜场景灯光控制系统，其可对同一场所中最多 18 个分区供电和调节亮度，用户可调节和预设每个灯区亮度最多五种场景，你只需按下按键就可以为活动选择满意的灯光环境；美国 LCamp。 D 智能灯光控制系统是由一套低压继电器配电盘构成的 ，可按客户需求独立设置每一个回照的时间、地点、方式，也可直接手动控制系统。 在我们国内，同样也付诸了这一方面的实践，像研究设计的真善美智能灯光控制系统，集多点操作、停电自锁、免打扰、集中控制、集中显示等智能功能为一体，使家居生活愈加舒适。 陪伴着电子信息技术的发展和人们生活习惯的改观，室内灯光自动控制系统将在更广阔的空间中发挥更大的作用。 它会越来越先进，越来越低成本，低功耗，科技含量也会越来越多，应用范围势必愈来愈广阔，也许会覆盖于所有有灯光的地方，无论政府，企业，人民都会因为其无法媲美的陕西理工学院毕业论文 第 3 页 共 46 页 优势首先选择它，它 也将带领智能灯光系统走进另一个崭新的时代。 发展前景 智能灯光控制系统是信息时代的产物，它以科学计算机和网络技术为核心，并且与现代建筑相结合，希望的曙光即将显现。 其发展前景主要有： （ 1）标准化。 必须要统一接口标准，来实现多设备无障碍连接； （ 2）人性化。 以人体行为、视觉效果为研究基础，开发更具科技含量、高效、舒适、健康的智能化照明是人们所喜闻乐见的。 （ 3）网络化。 智能灯光控制系统必然伴随着网络，一起给人们生活带来更多的便利； （ 4）嵌入式。 其功能强大、体积小、应用灵活被越来越多的人所关注，现已 是多种智能设备的核心元件； （ 5）可扩展性。 智能灯光控制系统与其他外设的联动是大势所趋，因此，要预留扩展端口给将来。 （ 6） 品牌 化。 集众品牌之长于统一的控制平台，则能很好地兼顾各方利益，同时客户在预算上也会有很大的主动性。 在未来的照明工程中，照明系统必然与新光源、智能技术、电子镇流器等 新照明光源和照明技术相结合，将构筑新兴照明技术平台。 它的应用领域也将从智能家居照明到智能化的城市照明，前景一片广阔，继而也给灯具市场带来更多的热议和期待，其同时也正创造着一种高技术，高科学思想含量的照明文化。 应用领域 在交流和沟通越来越频繁的现代信息社会，会议室、多媒体教室等已不再是昔日仅有的讲台和椅子了，取而代之的是各种先进的科技设备。 如：电脑、投影仪、视频展示台、电动屏幕，一些大型会议室还配备了同声传译系统、电子表决系统、大屏幕投影、多画面切换系统等。 这些设备使用过程中必定带来繁冗的各项操作，像 灯光不时的开关，音视频信号、投影画面的频频切换，这种情况下，自动控制系统根据室内环境情景，选择适合目前场景的灯光亮度，让操作瞬间方便简单。 所以，灯光自动控制系统将运用于下面几大领域。 （ 1）家居领域 快节奏的现代生活将逼迫传统一关一开的手动灯光控制模式淘汰，人们对家庭的照明工程提出了新的要求，不仅要控制光源的发光时间、亮度，还应与家居子系统配合，对不同场景营造不同的灯光亮度，更要考虑管理智能化、简单化以及灵活性方面的控制方式和变更要求等。 一个优秀的室内灯光控制系统可以提升家庭环境的品质，保证家庭生活的舒服和 健康。 在家居生活中，智能化灯光设备可通过预设，储存不同的灯光场景，根据主人的不同需求来自动调节房间内的灯光亮度。 当客人探访、聚会时，灯光就调节的较明亮；而在欣赏音乐和品茶时，柔和的灯光刚好应景；在观看精彩影片时，客厅转身为家庭影院，暗淡的灯光最合时宜。 这一切，系统都可自动控制，真是一键在手，梦幻灯光随心调，岂不美哉。 （ 2）办公领域 现代化的办公室不仅仅只是做为办公场所，它也是公司形象的代名词，更应符合时代发展的潮流。 在诸多办公因素当中，光环境有着不言而喻的重要性。 当你走进会议室时，称心的灯光通过预先编程的 照明系统自动开启，将室内光照亮度调整到最合适的开会状态；在会议结束人员离开房间后，灯光自动关闭；室内的灯光随窗外的自然光线的变化而变化，自觉地节约电能„„在快节奏的今天，办公人员几乎忙于繁忙的工作，而干净、灵活、舒适的办公环境，会给他们愉悦的享受，工作效率也就有效地提高了。 总之，舒适的灯光恰若美妙的音符，于潜移默化中影响着人们的工作状态。 高品质的自动灯光控制系统进驻办公室，乃大势所趋。 （ 3）公共设施领域 在商场、道路和展厅等公共区域，光临的第一感觉，与灯光的效果密不可分，照明氛围与建筑陕西理工学院毕业论文 第 4 页 共 46 页 装潢的协调，会让顾客 产生一种美的领略。 根据不同的时间段、人流量、节日需要，自动控制灯光自动调节光效果，力求最大限度地为顾客提供一个舒适、优雅、端庄的光环境。 不仅节约了电能，还能达到人为至上效果，是个不错的选择。 本文研究内容 室内灯光控制系统是一项以节能环保，人性化控制为目的，为人们生活带来诸多便利的一个系统。 在日常生活中，它可以实时监控室内的人数，检测眼下室内光线参数，能够对灯光进行不同场景下的现场控制。 本研究通过硬件实体，预设不同的灯光场景，随意地改变各区域的灯光亮度，来适应不同的室内主题和主人需求。 灯光自动控制系 统可以更好地利用自然光照明，而与室内面积无关，根据光线强弱和人体数量而变化，以此调整光照亮度到最舒适的状态 [9]。 鉴于该系统所安装的室内环境比较复杂，影响因素也比较多，而且控制设备中的人体红外传感器、光强检测模块等会因环境情形的变化有时会出现不稳定的状况。 所以在硬件设计过程中，电子元器件的选择、线路的布控和设备的安装位置要充分考虑到抗干扰问题 [10]。 鉴于上述研究背景，本系统将利用光电传感器，统计室内的光线和人数，再根据人数和光照强度变化，实时地调整室内灯光来适应人们的视觉。 针对 本课题，计划采取如下图 所示的设计思路。 系统方案分析电子元器件分析选择软件分析软件仿真硬件设计系统调试系统整合 图 系统整体设计思路 系统整体设计首先是从方案着手处理的，分析其具有何种功能，需要哪些模块，然后根据功能模块再决定选择什么样的元器件可达到系统的设计目标。 随后需要从软件和硬件这两部分来实现，软件主要用来控制硬件的运行，最后需要对系统联调，保证它稳定可靠地工作，让系统总体上完成一个整合，实现方案构思中的所有功能需求。 陕西理工学院毕业论文 第 5 页 共 46 页 方案论证是对室内灯光自动控制系统的构思，分析用何种方法可以实 现，该方法有哪些好处及局限性，并根据功能要求，性价比，实现难易程度等作以综合比较，选择一个最优的解决方案。 设计要求 从任务书角度出发，本课题拟通过试验研究室内灯光的各种控制方案解，设计一个室内灯光自动控制系统，实现照明控制系统的人性化，主要解决如下关键问题 : ⑴ 系统应实现在自然光照强度很高时，灯光处于关闭状态； ⑵ 系统在自然光照强度较弱，并且有人体感应时，灯光自动打开，且自动打开灯光的数量随人数的增加而增加，以满足室内光照强度的需求； ⑶ 在灯光打开后，若感应到光照强度变强或无人体感应后，则在一 定的时延后根据情况自动关闭部分或全部灯光。 由上可知，本系统研究的主控器把自然光照强度和人体存在状况作为控制器的两大主要输入参数。 在自然环境光线比较强时，不管人体是否存在，灯光都处于关闭状态；在自然环境光线较弱时，且当有人体存在时，经过一定时延，灯光由控制器自动打开，等到人体离开，延时一定时间后灯光自动关闭。 然而在现实生活中，意外之事十有八九，因此还需要按照作息时间实现手动控制，超过午夜 12 点，即使还有人体存在，自动控制器也会关闭，换用手动控制模式，以解决特殊环境下，自动控制系统的不人性化的一面。 另外，室 内用电或多或少的存在着安全隐患，像大功率电器的接入会造成跳闸；用久了的电路会老化；长时间工作的电器有时会冒火花等等，这会给人们的生活带来危害，也造成心理上的困扰。 所以必须设计报警电路，在室内用电出现故障时，及时的提醒用户，以保证生命财产的。