智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要針對(duì)學(xué)校教學(xué)樓等各種場(chǎng)合照明系統(tǒng)電能浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象及對(duì)照明效果的要求，提出了一種節(jié)能控制的新方法，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源以及舒適照明的良好效果。為達(dá)到教學(xué)樓照明智能、節(jié)能的目的,本文設(shè)計(jì)了基于C51單片機(jī)的校園教學(xué)樓宇智能照明系統(tǒng),包括日光強(qiáng)度測(cè)量電路、熱釋電紅外人體測(cè)量電路、數(shù)字可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器和燈具及配套的軟件。系統(tǒng)以C51為控制核心,通過RS2485通信接口及RS2232/485電路完成與PC機(jī)通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)教室工作狀態(tài)的監(jiān)控及工作參數(shù)的設(shè)置，并選用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各教室照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理，實(shí)現(xiàn)了智能控制、節(jié)約能源的目標(biāo)。每個(gè)教室等場(chǎng)所的照明單獨(dú)控制，某個(gè)場(chǎng)所的照明系統(tǒng)出現(xiàn)問題不會(huì)影響到其他場(chǎng)所的正常照明控制。每個(gè)照明場(chǎng)所的照明管理實(shí)現(xiàn)了智能控制與人工應(yīng)急控制相結(jié)合，在中央控制室可以對(duì)每個(gè)場(chǎng)所的照明進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，配合學(xué)校各種照明場(chǎng)所的照明需要。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能控制與綠色照明，節(jié)約能源的完美結(jié)合，為學(xué)校節(jié)約能源的同時(shí)，也為學(xué)生，老師提供了良好的學(xué)習(xí)辦公環(huán)境，美化了校園，提高了校園的管理水平。測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo),調(diào)光誤差低于5%,滿足教學(xué)樓照明要求。關(guān)鍵詞：智能控制雙元型熱釋電紅外傳感器綠色照明單片機(jī)AT89S52ABSTRACTBasedonmanyoccasionssuchaslightingsystembuildingenergywasteisseriousphenomenonandtherequirementoflightingeffect,thispaperputsforwardanewmethodofsavingenergycontrol,realizetheenergysavingoflightingandcomfortablegoodeffect.Toachievetheteachingbuildinglightingintelligence,thepurposeofenergy-savingdesign,thispaperbasedonC51microcontrollercampusteachingbuildingintelligentlightingsystem,includingsunlightintensitymeasurementcircuitandpyroelectricinfraredhumanmeasurementcircuit,digitaladjustablephotoelectronballastandlampsandlanternsandrelatedsoftware.SystemwithC51ascontrolcore,RS2485throughcommunicationinterfaceandRS2232/485circuitandPCcommunications,realizetheworkingstatusofeachofthemonitoringandworkingparametersSettings,andrealizetheclassroomcomputernetworkmanagementoflightingsystem,intelligentcontrol,energysavinggoal.Eachclassoftheplacesuchaslightingcontrolalone,aplaceoflightingsystemproblemswillnotaffectotherplacesnormallightingcontrol.Everyplaceofilluminationlightingandintelligentcontrolandmanagementoftheartificialemergencycontrol,combiningincentralcontrolroomineachplacecanreal-timemonitoringandcontrollighting,canrealizetheautomaticilluminationsceneconversion,coordinatestheschoolplacesoflightingillumination.Thedesignofthesystemrealizedintelligentcontrolandgreenlighting,theperfectcombinationofenergysaving,energysavingforschool,butalsoforthestudent,teacherprovidesagoodlearningenvironment,beautificationofficeofthecampus,improvethemanagementlevelofcampus.Testresultsshowthatthesystemdesign,technicalindexdimmingerrorlessthan5%,satisfybuildinglightingrequirements.KeyWords:IntelligentcontrolDualpyroelectricinfraredsensorGreenlightingMCUAT89S52目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 IABSTRACT I1緒論 12智能照明系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 22.1智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用前景 22.2照明控制的幾種方式 22.2.1傳統(tǒng)照明控制方式 32.2.2自動(dòng)照明控制方式 32.2.3智能照明控制方式 32.3智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)越性 42.3.1達(dá)到良好的節(jié)能效果，延長(zhǎng)燈具壽命 42.3.2改善工作環(huán)境，提高工作效率 42.3.3實(shí)現(xiàn)多種的照明效果 42.3.4提高管理水平 52.3.5較好的投資收益效果 52.4電氣照明節(jié)能因素的分析 53總體方案設(shè)計(jì) 73.1辦公樓建筑電氣照明節(jié)能的設(shè)計(jì)原則 73.2辦公樓建筑電氣照明節(jié)能的設(shè)計(jì)措施 83.2.1光源選擇原則 83.2.2燈具選擇原則 93.3照明配電 93.4方案論證 103.4.1方案一：采用ZigBee無線解決方案 103.4.2方案二：采用RS2485和RS2232標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合有線解決方案 113.5系統(tǒng)構(gòu)成 154校園照明控制系統(tǒng)的基本組成部分 174.1主控中心 174.2RLINK通訊裝置 174.3照明控制器 174.4可編程開關(guān) 174.5紅外線感應(yīng)器（E5751L） 184.6照度傳感器 184.7電話通訊裝置 184.8蜂鳴器報(bào)警裝置 195系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 205.1日光強(qiáng)度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 205．2室內(nèi)進(jìn)出人數(shù)測(cè)量單元設(shè)計(jì) 215.2.1雙元型熱釋電紅外傳感器判斷人體運(yùn)動(dòng)方向的原理 215.2.2信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 225.3無線遙控模塊電路 245.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 245．5控制、存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì) 255.6單片機(jī)及外圍電路 255.7基于人體特征檢測(cè)的智能照明設(shè)計(jì) 265.7.1設(shè)計(jì)思想 265.7.2人體特征檢測(cè)方法和數(shù)學(xué)模型的建立 275.7.3燈具亮度的算法 286系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 337校園各部分的具體設(shè)計(jì)方案 347.1教學(xué)樓 347.2圖書館 347.3體育館 357.4行政中心 357.5學(xué)校園區(qū) 357.6辦公走廊等公共場(chǎng)所 367.7多功能廳照明控制系統(tǒng) 368系統(tǒng)測(cè)試 379問題討論 38結(jié)論 39致謝 40參考文獻(xiàn) 411緒論介紹智能照明系統(tǒng)及單片機(jī)1.1本課題的來源隨著全球能源問題日益突出和我國(guó)科技經(jīng)濟(jì)逐步發(fā)展，節(jié)約能源已是世界發(fā)展的趨勢(shì)，而現(xiàn)代建筑物的能耗相當(dāng)大，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，建筑的能耗達(dá)整個(gè)國(guó)家能耗總量的30％，建筑物的能耗通常體現(xiàn)在建筑設(shè)備的能耗上。建筑物的設(shè)備能耗按不同類別劃分，照明及辦公設(shè)備用電占建筑設(shè)備用電的39％。建筑節(jié)能成為建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的重要方面。根據(jù)建設(shè)部確立的建筑節(jié)能要求的具體措施與發(fā)展方向,節(jié)能工作已在全國(guó)范圍內(nèi)全面啟動(dòng)、實(shí)施。能否降低建筑電氣照明能源標(biāo)準(zhǔn)，提高建筑電氣照明的能源利用率,是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。1.2課題研究的目的意義在照明領(lǐng)域，照明控制起到了重要的作用。傳統(tǒng)的照明控制是在靠近回路處加上開關(guān)，由開關(guān)來控制照明。很難達(dá)到“由管理室對(duì)全體照明實(shí)行成批監(jiān)視、控制”，“在現(xiàn)場(chǎng)也可以靈活控制照明”的要求。而智能照明系統(tǒng)是先進(jìn)、節(jié)能、便于管理的配線系統(tǒng)。世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)向國(guó)際化和高增值型方向發(fā)展信息行業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)猛增信息時(shí)代的前進(jìn)步伐將越來越快傳統(tǒng)的工作經(jīng)濟(jì)遭到網(wǎng)絡(luò)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)有力地挑戰(zhàn)；樓宇自動(dòng)化（BA）、通信自動(dòng)化(CA)、辦公自動(dòng)化(OA)、家庭自動(dòng)化(HA)飛速發(fā)展；人們的物質(zhì)與精神生活水平迅速提高,對(duì)工作和生活不斷地追求靈活、高效和舒適,對(duì)照明的要求也越來越高。因此傳統(tǒng)的照明控制技術(shù)受到了時(shí)代的強(qiáng)烈沖擊，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)不斷地滲入到照明控制系統(tǒng)中來,所謂的“智能照明”技術(shù)隨之出現(xiàn)并迅速向前發(fā)展，以至形成未來照明發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。作為用電大戶的各總大、中、小學(xué)校，照明時(shí)間長(zhǎng)，照明場(chǎng)所多,照明用電超過本單位所有耗電量的40%。學(xué)校教學(xué)樓內(nèi)燈具大多采用手動(dòng)控制，即使嚴(yán)格管理，仍不可避免地出現(xiàn)忘記關(guān)燈的時(shí)候，教室出現(xiàn)“長(zhǎng)明燈”的現(xiàn)象屢見不鮮，造成巨大的能源浪費(fèi)。另外，因?yàn)榫€路及燈具選型的不足，很多教室的照明效果達(dá)不到國(guó)家要求的照明標(biāo)準(zhǔn)，這也是造成學(xué)生視力下降，影響學(xué)習(xí)效率的一大因素。因此把綠色照明，節(jié)約能源的觀念帶進(jìn)教學(xué)樓照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義。1.3本文的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)一種基于C51單片機(jī)的校園教學(xué)樓宇智能照明系統(tǒng)。首先通過對(duì)智能照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理出發(fā)，建立由日光強(qiáng)度測(cè)量電路、熱釋電紅外人體測(cè)量電路、數(shù)字可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器、燈具及配套的軟件構(gòu)成的照明系統(tǒng)整體方案。然后詳細(xì)描述智能照明系統(tǒng)涉及到的各種傳感器設(shè)計(jì)，提出以C51為控制核心，通過RS2485通信接口及RS2232/485電路完成與PC機(jī)通信組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)教室工作狀態(tài)的監(jiān)控及工作參數(shù)的設(shè)置，并選用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各教室照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理，以實(shí)現(xiàn)智能控制、節(jié)約能源的目標(biāo)。

2智能照明系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)2.1智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用前景自1789年愛迪生發(fā)明碳絲白熾燈以來電光照明便與人們的生產(chǎn)、生活密不可分。發(fā)展至今，一方面，照明用電在國(guó)民用電總量中占到相當(dāng)?shù)谋嚷剩ㄒ话銥?0%～20%），對(duì)于建筑物而言,照明負(fù)荷一般約占整個(gè)建筑物用電負(fù)荷的30%左右，推廣節(jié)能照明對(duì)于提高能效,保護(hù)環(huán)境而言意義重大。另一方面，照明設(shè)計(jì)已由原來單純以照度、均勻度、眩光、顯色指數(shù)等物理量作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo),發(fā)展到綜合考慮人的視覺特性、舒適感、照明藝術(shù)等因素的總體效果評(píng)價(jià)。技術(shù)的進(jìn)步與社會(huì)的發(fā)展以及人們對(duì)照明越來越高的要求，促使照明系統(tǒng)向高效、節(jié)能、環(huán)保與靈活、舒適、人性化方向不斷進(jìn)步。照明控制系統(tǒng)也由傳統(tǒng)控制模式發(fā)展成為數(shù)字化、分布式、集成化的智能照明控制系統(tǒng)。作為現(xiàn)代建筑重要組成部分的照明系統(tǒng),面對(duì)不斷發(fā)展的需要,要求照明系統(tǒng)智能化,具備場(chǎng)景模式等復(fù)雜功能,便于控制、監(jiān)管,并能與安防、三表等系統(tǒng)集成。微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的縱深發(fā)展,照明控制技術(shù)面臨革命性的變革,變革所呈現(xiàn)的三大趨勢(shì)是:電子化—電子元器件替代傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)；網(wǎng)絡(luò)化—網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)成為智能照明系統(tǒng)的技術(shù)平臺(tái)；集成化—系統(tǒng)集成技術(shù)平臺(tái)使照明、安防、上網(wǎng)成為一個(gè)整體解決方案。2.2照明控制的幾種方式根據(jù)光源的種類不同,照明控制一般可分為開關(guān)控制和調(diào)光控制。對(duì)于熱輻射型光源,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光的功能,而對(duì)氣體放電燈來說,除了低功率的氣體放電燈配置可調(diào)光的電子鎮(zhèn)流器外,只能實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制的功能。在照明設(shè)計(jì)中,合理和正確地選用照明控制方式是實(shí)現(xiàn)照明藝術(shù)性和舒適性的有效手段,是達(dá)到綠色照明和節(jié)約能源的有效措施。照明控制方式多種多樣,按其實(shí)現(xiàn)方式大致可分為以下3種：2.2.1傳統(tǒng)照明控制方式傳統(tǒng)照明控制方式主要以手動(dòng)控制為主,依靠供電回路中的手動(dòng)開關(guān)來控制回路的通斷,實(shí)現(xiàn)燈具的開關(guān)控制;利用供電回路中的手動(dòng)調(diào)節(jié)元件來調(diào)節(jié)回路的電壓以實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。傳統(tǒng)方式相對(duì)簡(jiǎn)單、有效、直觀,但它過多依賴手工操作整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)分散,無法實(shí)現(xiàn)有效地管理,其適時(shí)性和自動(dòng)化程度太低。傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)目前仍被廣泛使用,其基本結(jié)構(gòu)是動(dòng)力線根據(jù)設(shè)備控制需求進(jìn)行分線,用機(jī)械式開關(guān)直接控制電源的開與關(guān);其特點(diǎn)是動(dòng)力線與控制線重疊,不存在控制信息流的概念。此類照明系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單直觀,缺點(diǎn)是一旦完成后,系統(tǒng)就固定、無法再改動(dòng)。此外,要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制要求,如實(shí)現(xiàn)總控制模式或場(chǎng)景模式時(shí),布線量呈幾何級(jí)數(shù)增加,同時(shí)降低了系統(tǒng)的可靠性,并導(dǎo)致安裝費(fèi)用、維護(hù)工作量的增加。隨著大量智能樓寓住宅的推出,管理人員和住戶對(duì)照明系統(tǒng)提出形形色色的個(gè)性化要求,而傳統(tǒng)的照明控制對(duì)此無能為力。2.2.2自動(dòng)照明控制方式該控制方式利用DDC技術(shù)遙控?zé)艟叩拈_關(guān),通常是控制中心發(fā)出信號(hào),通過直接數(shù)字控制器控制供電回路中接觸器的分、合,從而控制供電回路的通、斷,實(shí)現(xiàn)燈具開關(guān)控制。采用該方式,解決了傳統(tǒng)控制方式的相對(duì)分散和無法有效管理等問題,實(shí)現(xiàn)了照明控制的自動(dòng)化,但卻無法實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制功能,有很大的局限性。隨著人們對(duì)照明品質(zhì)的要求不斷提高，自動(dòng)照明控制方式同樣無法滿足現(xiàn)在越來越高的照明需求。2.2.3智能照明控制方式20世紀(jì)90年代初,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,辦公自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化的出現(xiàn),人們對(duì)照明控制提出了更高的要求,從而產(chǎn)生了智能照明控制方式。所謂智能照明控制,就是根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時(shí)間、室內(nèi)外亮度或該區(qū)域的用途來自動(dòng)控制照明設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)集中統(tǒng)一管理與監(jiān)控的功能。結(jié)合現(xiàn)代照明技術(shù)和藝術(shù),實(shí)行科學(xué)的管理照明設(shè)備,讓人們不僅在一個(gè)照明技術(shù)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求,而且舒適、明亮并富有藝術(shù)魅力的照明環(huán)境里工作和生活。智能照明控制是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng),可以不再依賴于樓宇設(shè)備自動(dòng)管理系統(tǒng)而獨(dú)立運(yùn)行。它不僅可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制和調(diào)光控制,還可以預(yù)設(shè)許多燈光場(chǎng)景,根據(jù)時(shí)間、場(chǎng)所的功能、室內(nèi)外照度自動(dòng)調(diào)整場(chǎng)景。從智能照明控制系統(tǒng)的組成方式看,主要有總線型、電力線載波型、無線網(wǎng)絡(luò)型等。例如在市場(chǎng)中出現(xiàn)的澳大利亞奇勝C2Bus總線、ABB公司的i2bus總線、邦奇Dynet總線、Philips的DALI總線、日本松下的HBS總線以及X210的電力線載波協(xié)議等。2.3智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)越性2.3.1達(dá)到良好的節(jié)能效果，延長(zhǎng)燈具壽命節(jié)能是照明控制系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的樓宇公共區(qū)域照明工作模式，只能是白天關(guān)燈，晚上開燈。而采用了智能照明控制系統(tǒng)后，我們可以根據(jù)不同場(chǎng)合、不同的人流量，進(jìn)行時(shí)間段、工作模式的細(xì)分，把不必要的照明關(guān)掉，在需要時(shí)自動(dòng)開啟。同時(shí)，系統(tǒng)還能充分利用自然光，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)照度?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同工作場(chǎng)合的多種照明工作模式，在保證必要照明的同時(shí)，有效減少了燈具的工作時(shí)間，節(jié)省了不必要的能源開支，也延長(zhǎng)了燈具的壽命。智能照明控制系統(tǒng)借助各種不同的“預(yù)設(shè)置”控制方式和控制元件，對(duì)不同時(shí)間不同環(huán)境的光照度進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這種自動(dòng)調(diào)節(jié)照度的方式，充分利用室外的自然光，只有當(dāng)必需時(shí)才把燈點(diǎn)亮或點(diǎn)到要求的亮度，利用最少的能源保證所要求的照度水平，節(jié)電效果十分明顯，一般可達(dá)30%以上。2.3.2改善工作環(huán)境，提高工作效率良好的工作環(huán)境是提高工作效率的一個(gè)必要條件。合理地選用光源、燈具及性能優(yōu)越的照明控制系統(tǒng)，都能提高照明質(zhì)量。智能照明控制系統(tǒng)以調(diào)光模塊控制面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平開關(guān)控制燈具，可以有效地控制各房間內(nèi)整體的照度值，從而提高照度均勻性。同時(shí)，這種控制方式內(nèi)所采用的電氣元件也解決了頻閃效應(yīng)，不會(huì)使人產(chǎn)生不舒適、頭昏腦脹、眼睛疲勞的感覺。2.3.3實(shí)現(xiàn)多種的照明效果多種照明控制方式，可以使同一建筑物具備多種藝術(shù)效果，為建筑增色不少?，F(xiàn)代建筑物中，照明不單純地為滿足人們視覺上的明暗效果，更應(yīng)具備多種的控制方案，使建筑物更加生動(dòng)，藝術(shù)性更強(qiáng)，給人豐富的視覺效果和美感。一棟建筑物中，室外景觀照明、泛光照明可以預(yù)設(shè)為春夏秋冬四季變化，周末節(jié)假日?qǐng)鼍埃笮蛻c典場(chǎng)景；會(huì)客廳、會(huì)議室等可以預(yù)設(shè)會(huì)議、投影、會(huì)間休息等不同場(chǎng)景。在傳統(tǒng)的人工控制方式下，難以實(shí)現(xiàn)如此多種多樣的照明效果。2.3.4提高管理水平智能照明控制系統(tǒng)是以自動(dòng)控制為主、人工控制為輔的系統(tǒng)。在一般的情況下，不需要有人的參與，照明系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)和調(diào)光功能。既大大減少了管理人員的數(shù)量，也排除了由于人為因素而出現(xiàn)的不定時(shí)開關(guān)，影響學(xué)校的正常教學(xué)、生活秩序的情況出現(xiàn)。2.3.5較好的投資收益效果智能照明控制系統(tǒng)在節(jié)能和節(jié)省燈具使用的同時(shí)，有效節(jié)省了電費(fèi)與管理費(fèi)用的支出。根據(jù)一般的辦公大樓運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)來看，節(jié)能效果能達(dá)到40％以上，一般的商場(chǎng)、酒店、地鐵站等節(jié)能效果也能達(dá)到25％~30％；學(xué)校在這方面還沒有得到具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但根據(jù)分析，效果還是令人滿意的。2.4電氣照明節(jié)能因素的分析電氣照明設(shè)施的耗電量可表示為（2-1）（2-2）式中W———電氣照明設(shè)備耗電量(kWh)T———照明設(shè)備使用時(shí)間(h)Pr———配套照明設(shè)備的損耗功率(kW)Pl———配電線路與開關(guān)設(shè)備的損耗功率(kW)Ps———光源由電能轉(zhuǎn)換為可見光所消耗的功率(kW)Φ———光通量(lm)η———發(fā)光效率(lm/W)由光通量公式可知(2-3)式中Emin———標(biāo)準(zhǔn)照度的最低值或工作面上的最低照度值(lx)Z———最低照度系數(shù)S———房間面積(m2)k———照度補(bǔ)償系數(shù)KU———光通量利用系數(shù)N———燈具效率從式(2-1)、(2-2)、(2-3)可知,照明設(shè)備的耗電量與T、Pr、Pl、η、Emin、Z、S、k、KU、N等因素有關(guān)。在進(jìn)行照明節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí),充分利用這些系數(shù)(或適當(dāng)處理)可以節(jié)約大量電能。(1)Pr是光源配套的電器附件(鎮(zhèn)流器等)的損耗功率,通常選用節(jié)能型電感式鎮(zhèn)流器或電子鎮(zhèn)流器來減少能耗。(2)Pl是配電線路與開關(guān)設(shè)備的損耗功率。保證電壓質(zhì)量,降低線路阻抗,選擇質(zhì)量好的開關(guān),能避免不必要的損耗。(3)η是研究和選擇光源的重要標(biāo)志之一。白熾燈:10～20lm/W;熒光燈:50～90lm/W;高壓汞燈:40～60lm/W;高壓鈉燈:80～140lm/W。根據(jù)各光源的發(fā)光效率和工程具體情況來選擇有利于節(jié)能的光源,是設(shè)計(jì)的基本原則。(4)Emin是標(biāo)準(zhǔn)照度的最小值。在規(guī)范中已明確規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)照度值,設(shè)計(jì)時(shí)可參考此值。(5)Z、KU、N都是燈具的指標(biāo)。一般選用效率高于70%、各項(xiàng)指標(biāo)衰減速度慢的燈具。(6)照度補(bǔ)償系數(shù)k取決于環(huán)境。保持環(huán)境清潔,做好燈具擦洗維護(hù),也是節(jié)能的一部分。(7)掌握照明設(shè)備使用時(shí)間是節(jié)能的關(guān)鍵。3總體方案設(shè)計(jì)3.1辦公樓建筑電氣照明節(jié)能的設(shè)計(jì)原則1)在保證照明質(zhì)量的前提下,提高整個(gè)照明系統(tǒng)效率,節(jié)約照明用電。2)照度標(biāo)準(zhǔn)值、照明均勻度、統(tǒng)一眩光指數(shù)(URG)、光色、照明功率密度值(LPD)、能效指標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)值的綜合要求應(yīng)符合GB50034—2004《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。3)遵循規(guī)范中規(guī)定的各項(xiàng)照明指標(biāo),如表3-1所示。其中照明功率密度值(LPD)是照明節(jié)能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。不同種類的場(chǎng)所有不同的功率密度值,各房間或場(chǎng)所的照明功率密度值不應(yīng)大于規(guī)范中規(guī)定的值。4)選擇合適的照明方式。會(huì)議室、開標(biāo)室、多功能廳等要求高照度的場(chǎng)所,選用混合照明的方式;辦公室等工作位置密集的場(chǎng)所,選用一般的照明方式。5)達(dá)到綠色照明工程。綠色照明是通過科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方法,采用高效率照明光源、燈具和電器附件,以節(jié)約能源,保護(hù)環(huán)境,增強(qiáng)公眾節(jié)能、環(huán)保意識(shí),建立優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟(jì)舒適、安全可靠、保護(hù)身心健康的照明環(huán)境,以提高人們的生活質(zhì)量和工作效率。在建立優(yōu)質(zhì)高效的照明環(huán)境基礎(chǔ)上,實(shí)施綠色照明。良好的照明質(zhì)量是綠色照明的重要內(nèi)容之一。照明質(zhì)量主要包括良好的顯色性能、相宜的色溫、較小的眩光、較好的照度均勻度、舒適的亮度比、優(yōu)質(zhì)高效的照明器材,是實(shí)施綠色照明的重要因素,而光源又是其中的第一要素。高效光源有多種類型,如直管熒光燈、緊湊型熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈(HID),其特點(diǎn)不同,應(yīng)用場(chǎng)所也不同,都應(yīng)給予重視。除光源外,還有燈具和與光源配套的電器附件(如鎮(zhèn)流器等),這些對(duì)提高照明系統(tǒng)效率和照明質(zhì)量都具有重要意義。不僅要注重節(jié)能本身,更要注重保護(hù)環(huán)境,這樣才能做到真正意義上的綠色照明。降低能耗,減少發(fā)電導(dǎo)致的有害氣體的排放,降低制燈的有害物質(zhì)量(如汞、熒光粉等),建立燈管的回收制度,降低燈具、電器附件的耗材量等,都直接或間接影響到環(huán)境的保護(hù)。重視照明工程設(shè)計(jì)以及重視對(duì)優(yōu)質(zhì)高效的照明器材的維護(hù)、管理。工程設(shè)計(jì)是制訂總體方案、統(tǒng)管全局的要素。設(shè)計(jì)時(shí)要合理確定照度及照明方式,正確選用適宜的光源、燈具,合理布置,保證照明質(zhì)量。如果設(shè)計(jì)不合理,則優(yōu)質(zhì)的照明器材不能發(fā)揮最有效的作用,降低了照明效果。此外,在運(yùn)行使用中,還應(yīng)進(jìn)行科學(xué)、合理的維護(hù)與管理,以達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。表3-1各項(xiàng)照明指標(biāo)房間或場(chǎng)所參考平面及其高度照度標(biāo)準(zhǔn)值/lxURG顯色指數(shù)RaLPD∕(W∕m2)現(xiàn)行值目標(biāo)值辦公室、會(huì)議室0.75m水平面300/lx1980119展示大廳大堂0.75m水平面300/lx22801311多功能廳0.75m水平面300/lx22801815餐廳0.75m水平面200/lx22801311接待室、前臺(tái)0.75m水平面300/lx—80119文件整理、復(fù)印、發(fā)行室0.75m水平面300/lx—80119資料、檔案室0.75m水平面200/lx—8087自動(dòng)扶梯地面150/lx—60——電梯前廳地面150/lx—80——休息室地面100/lx2280——儲(chǔ)藏室地面100/lx—60——衛(wèi)生間、浴室地面75/lx—60——車庫(kù)地面75/lx2860——變配電室地面200/lx—608—水泵房等設(shè)備用房地面100/lx—605—3.2辦公樓建筑電氣照明節(jié)能的設(shè)計(jì)措施3.2.1光源選擇原則1)滿足場(chǎng)所使用對(duì)顯色性的要求,選擇合適的色溫。2)采用高效光源。燈的效率是指所消耗的電能中有多少可轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽?。燈的效率越?達(dá)到同一照度時(shí)就越省電,如白熾燈發(fā)光效率為15lm/W,三基色熒光燈發(fā)光效率為90lm/W。因此在可以采用熒光燈的場(chǎng)所應(yīng)盡量不采用白熾燈。3)光源發(fā)光穩(wěn)定。包括限制電壓波動(dòng)和偏移造成的光通變化,以及電源交變導(dǎo)致的頻閃;且光源應(yīng)有良好的啟點(diǎn)特性。4)使用壽命長(zhǎng),性價(jià)比高。3.2.2燈具選擇原則1)選擇發(fā)光效率(η)高的燈具。η取決于反射器形狀和材料、出光口大小、漫射罩或格柵形狀和材料。2)燈具配光應(yīng)適應(yīng)場(chǎng)所條件,按室空間比(RCR)選擇燈具的配光,以提高利用系數(shù)。3)眩光限制符合使用場(chǎng)所要求。4)符合環(huán)境條件的IP等級(jí)。5)選用光通維持率高的燈具,涉及反射面、漫射罩、透光罩材料抗老化、防靜電性能及維修性能。3.3照明配電1.穩(wěn)定電壓。當(dāng)光源端電壓升高時(shí)、電耗增加,設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮采取穩(wěn)定電壓措施。1)采用照明專用變壓器,必要時(shí)自動(dòng)穩(wěn)壓。2)與電力負(fù)荷共用變壓器時(shí),應(yīng)避開沖擊性負(fù)荷對(duì)照明的影響。2.降低線路阻抗,選用適當(dāng)截面的高質(zhì)量線纜。3.采用照明智能控制系統(tǒng)。照明智能控制系統(tǒng)是一個(gè)總線型或局域網(wǎng)型的智能控制系統(tǒng)。所有的單元器件(除電源外)均內(nèi)置微處理器和存儲(chǔ)單元,由信號(hào)總線(雙絞線或光纖)連接成網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)單元均設(shè)置惟一的單元地址,通過軟件設(shè)定其功能輸出單元控制各回路負(fù)載。輸入單元通過群組地址和輸出組件建立對(duì)應(yīng)聯(lián)系。當(dāng)有輸入時(shí),輸入單元將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭偩€信號(hào)在控制系統(tǒng)總線上廣播。所有的輸出單元接收并作出判斷,控制相應(yīng)回路輸出。系統(tǒng)通過總線連接成網(wǎng)。照明智能控制系統(tǒng)通常由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時(shí)間管理模塊、手持式編程器和監(jiān)控機(jī)等部件組成。微照明智能控制系統(tǒng)根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時(shí)間、室外光亮度或該區(qū)域的用途來自動(dòng)控制照明,其中最重要的一點(diǎn)就是可進(jìn)行預(yù)設(shè),即將照明亮度根據(jù)一系列設(shè)置的功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些設(shè)置也稱為場(chǎng)景,可由調(diào)光器系統(tǒng)或樓宇自控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用。通過對(duì)這些場(chǎng)景的控制,達(dá)到降低光輸出、節(jié)約電能等目的。照明智能控制系統(tǒng)一般可作為樓宇自控系統(tǒng)(BAS)的子系統(tǒng),應(yīng)與BAS有接口。公共區(qū)域的照明也可直接由BAS控制。3.4方案論證新校園的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)（BA）中，一般只包括了綜合布線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路電視監(jiān)控等子系統(tǒng)。照明控制系統(tǒng)可以與樓宇自控系統(tǒng)（BA）系統(tǒng)集成。提供與樓宇自控系統(tǒng)（BA）系統(tǒng)連接的接口協(xié)議和軟件協(xié)議，集成到樓宇自控系統(tǒng)（BA）中，便于樓宇智能化的集中管理和子系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)。照明控制系統(tǒng)也可以單獨(dú)建立一個(gè)系統(tǒng)，使用專門的通訊裝置和編程監(jiān)控軟件，以便設(shè)置更理想、更靈活的控制方案。一般的商業(yè)樓宇，系統(tǒng)集成是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。但對(duì)學(xué)校而言，把照明控制系統(tǒng)獨(dú)立出來，一方面更便于整個(gè)校區(qū)各樓字照明控制的通訊和統(tǒng)一管理；另一方面，控制系統(tǒng)也可以把一些小功率用電設(shè)備(如電扇、通風(fēng)口等)的控制納入其中，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)基于節(jié)約經(jīng)費(fèi)并可實(shí)現(xiàn)較好的控制效果出發(fā)，作為集散控制系統(tǒng)的一個(gè)典型事例，設(shè)計(jì)了無線及有線兩套系統(tǒng)集成方案。3.4.1方案一：采用ZigBee無線解決方案1)ZigBee簡(jiǎn)介Zigbee技術(shù)是隨著工業(yè)自動(dòng)化對(duì)于無線通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠖a(chǎn)生的，Zigbee網(wǎng)絡(luò)省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。Zigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。2)ZigBee協(xié)議提供了創(chuàng)建多達(dá)65536個(gè)節(jié)點(diǎn)的自組織、低數(shù)據(jù)率網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的功能。存在著不同的ZigBee節(jié)點(diǎn)類型。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)位標(biāo)器，它包含了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的信息，形成網(wǎng)絡(luò)，并向終端設(shè)備分配地址。終端設(shè)備接收控制輸入并提供狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以選擇承擔(dān)路由器的功能，它將擴(kuò)展最大通信距離。ZigBee最主要的優(yōu)勢(shì)之一在于，它保證了與其他設(shè)備之間的互操作性。所有的ZigBee產(chǎn)品都必須經(jīng)過測(cè)試和鑒定，而且存在標(biāo)準(zhǔn)的控制配置文件，包括一份用于照明的配置文件。這些配置文件定義了用于應(yīng)用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是不存在指令集，對(duì)于該應(yīng)用如何使用數(shù)據(jù)將由開發(fā)人員來決定。例如，ZigBee照明配置文件包括了一張表格，表格中的標(biāo)準(zhǔn)變量存放著照明亮度傳感器、占位傳感器、燈具照明亮度等狀態(tài)。典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（參見圖3.1）由一個(gè)2.4GHz的802.15.4收發(fā)器和一個(gè)MCU組成。所實(shí)現(xiàn)的ZigBee節(jié)點(diǎn)類型將決定協(xié)議棧所需要的代碼空間，從RFD終端設(shè)備需要的20KB到全功能位標(biāo)器所需要的40KB。ZigBee棧在每臺(tái)燈具處需要更多的電子開銷；需要更大、帶有更多程序存儲(chǔ)的MCU以及一個(gè)802.15.4收發(fā)器；需要額外的軟件來處理照明命令以及狀態(tài)信息的請(qǐng)求。圖3.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)3.4.2方案二：采用RS2485和RS2232標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合有線解決方案RS485通信協(xié)議介紹：1)rs485通信協(xié)議RS485主從式多機(jī)通訊協(xié)議：此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息按本協(xié)議發(fā)出。(1)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸控制器通信使用主—從技術(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則從設(shè)備不作任何回應(yīng)。協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯(cuò)誤檢測(cè)域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯(cuò)誤(無相應(yīng)的功能碼)，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，從設(shè)備將建立一錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。(2)在對(duì)等類型網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)輸在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用對(duì)等技術(shù)通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。這樣在單獨(dú)的通信過程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。在消息位，本協(xié)議仍提供了主—從原則，盡管網(wǎng)絡(luò)通信方法是“對(duì)等”。如果一控制器發(fā)送一消息，它只是作為主設(shè)備，并期望從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣，當(dāng)控制器接收到一消息，它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。2)傳輸方式控制器能設(shè)置傳輸模式為RS485串行傳輸，通信參數(shù)為9600，n，8,1。在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的串口參數(shù)。地址功能代碼數(shù)據(jù)數(shù)量數(shù)據(jù)1…….數(shù)據(jù)nCRC字節(jié)每個(gè)字節(jié)的位1個(gè)起始位8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送1個(gè)停止位錯(cuò)誤檢測(cè)域·CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))3)消息幀(1)幀格式傳輸設(shè)備將消息轉(zhuǎn)為有起點(diǎn)和終點(diǎn)的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個(gè)設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時(shí)信息已完成。錯(cuò)誤消息也能偵測(cè)到并能返回結(jié)果。消息發(fā)送至少要以10ms時(shí)間的停頓間隔開始。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域（地址域）接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少10ms時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。如果在幀完成之前有超過5ms時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于5ms的時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮腃RC域的值不可能是正確的。一典型的消息幀如下所示：起始間隔設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)數(shù)量及數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)束(2)地址域消息幀的地址域包含一個(gè)字符8Bit?？赡艿膹脑O(shè)備地址是0…247(十進(jìn)制)。單個(gè)設(shè)備的地址范圍是1…247。主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時(shí)，也把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備作出回應(yīng)。地址0是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。(3)如何處理功能域消息幀中的功能代碼域包含了一個(gè)字符8Bits?？赡艿拇a范圍是十進(jìn)制的1…255。當(dāng)然，有些代碼是適用于所有控制器，有此是應(yīng)用于某種控制器，還有些保留以備后用。當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時(shí)，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些行為。例如去讀取當(dāng)前檢測(cè)參量的值或開關(guān)狀態(tài)，讀從設(shè)備的診斷狀態(tài)，允許調(diào)入、記錄、校驗(yàn)在從設(shè)備中的程序等。當(dāng)從設(shè)備回應(yīng)時(shí)，它使用功能代碼域來指示是正?；貞?yīng)(無誤)還是有某種錯(cuò)誤發(fā)生（稱作異議回應(yīng)）。對(duì)正常回應(yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對(duì)異議回應(yīng)，從設(shè)備返回一等同于正常代碼的代碼，但功能代碼的最高位為邏輯1。例如：一從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備的消息要求讀一組保持寄存器，將產(chǎn)生如下功能代碼：00000011（十六進(jìn)制03H）對(duì)正?；貞?yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)同樣的功能代碼。對(duì)異議回應(yīng)，它返回：10000011（十六進(jìn)制83H）除功能代碼因異議錯(cuò)誤作了修改外，從設(shè)備將一獨(dú)特的代碼放到回應(yīng)消息的數(shù)據(jù)域中，這能告訴主設(shè)備發(fā)生了什么錯(cuò)誤。主設(shè)備應(yīng)對(duì)程序得到異議的回應(yīng)后，典型的處理過程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)給從設(shè)備的消息并報(bào)告給操作員。(4)數(shù)據(jù)域從主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設(shè)備用于進(jìn)行執(zhí)行由功能代碼所定義的行為所必須的數(shù)據(jù)。如果沒有錯(cuò)誤發(fā)生，從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，此域包含一異議代碼，主設(shè)備應(yīng)用程序可以用來判斷采取下一步行動(dòng)。在某種消息中數(shù)據(jù)域可以是0長(zhǎng)度。例如，主設(shè)備要求從設(shè)備回應(yīng)通信事件記錄，從設(shè)備回應(yīng)不需任何附加的信息。數(shù)據(jù)域最長(zhǎng)為70字節(jié)。(5)錯(cuò)誤檢測(cè)域錯(cuò)誤檢測(cè)域包含一字節(jié)8Bits。錯(cuò)誤檢測(cè)域的內(nèi)容是通過對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)方法得出的。CRC域附加在消息的最后，故CRC字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個(gè)字節(jié)。4)錯(cuò)誤檢測(cè)方法(1)超時(shí)檢測(cè)用戶要給主設(shè)備配置一預(yù)先定義的超時(shí)時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔要足夠長(zhǎng)，以使任何從設(shè)備都能作為正常反應(yīng)。如果從設(shè)備檢測(cè)到一傳輸錯(cuò)誤，消息將不會(huì)接收，也不會(huì)向主設(shè)備作出回應(yīng)。這樣超時(shí)事件將觸發(fā)主設(shè)備來處理錯(cuò)誤。發(fā)往不存在的從設(shè)備的地址也會(huì)產(chǎn)生超時(shí)。(2)CRC檢測(cè)CRC域是一個(gè)字節(jié)，檢測(cè)了整個(gè)消息的內(nèi)容。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤，從設(shè)備對(duì)本消息不作回應(yīng)。通訊網(wǎng)絡(luò)只設(shè)有一個(gè)主機(jī)，所有通信都由他發(fā)起。網(wǎng)絡(luò)可支持254個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。5)系統(tǒng)以單片機(jī)C51為核心，是分布式、總線型的智能照明系統(tǒng)。系統(tǒng)中有若干照明單元(即燈具),每個(gè)照明單元都有自己的環(huán)境檢測(cè)、控制及與上位機(jī)通信接口,有獨(dú)立的總線地址。照明單元的環(huán)境檢測(cè)由熱釋電傳感器模塊完成,用于檢測(cè)該單元所在區(qū)域內(nèi)是否有人;與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信采用RS2485和RS2232標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的方案。在教室前面的照明單元還配備了無線遙控模塊,配合教師授課使用,可方便地根據(jù)需要調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度。整個(gè)教室配備了一個(gè)日光照度檢測(cè)模塊,該模塊采用光敏電阻作為傳感器，配合A/D實(shí)現(xiàn)日光照度的檢測(cè)功能,把日光照度數(shù)據(jù)送給PC機(jī)與單片機(jī),以做出正確控制動(dòng)作。系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是數(shù)字可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器，用來控制燈的亮度或亮滅。綜合考慮本次設(shè)計(jì)的要求及從節(jié)約成本的角度出發(fā)，采用ZigBee的無線解決方案需要更多的電子開銷并且管理較為復(fù)雜，且采用RS-485的有線方案技術(shù)較為成熟，故選擇方案二作為本次的系統(tǒng)集成方案。3.5系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成主要包括時(shí)間電路和室內(nèi)光照度及人數(shù)檢測(cè)。1)時(shí)間電路。教學(xué)樓區(qū)別于一般建筑物的顯著特點(diǎn)是使用時(shí)間集中，非使用時(shí)間關(guān)閉照明設(shè)備電源，大力節(jié)約能源。2)室內(nèi)光照度檢測(cè)和人數(shù)檢測(cè)。在使用時(shí)間段如果光照度能夠滿足我國(guó)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034－2004），系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉照明設(shè)備所有電源；如果光照度不能夠滿足照明標(biāo)準(zhǔn)，教室沒有人，系統(tǒng)同樣關(guān)閉電源；如果教室有人，系統(tǒng)自動(dòng)開啟適當(dāng)?shù)臒艟呓M數(shù)。根據(jù)教室座位數(shù)的多少將燈具分成4組（120個(gè)座位左右）或6組（180個(gè)座位左右），每組燈具的數(shù)目和布局根據(jù)室內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置，對(duì)燈具的開關(guān)操作按組為單位進(jìn)行操作。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3.2所示，由N個(gè)教室、RS485網(wǎng)絡(luò)以及PC機(jī)軟件平臺(tái)構(gòu)成。教教室2教室……教室NRS232—RS485轉(zhuǎn)換器PC機(jī)軟件平臺(tái)教室1圖3.2系統(tǒng)總體框圖安裝于控制中心的電腦控制著整個(gè)智能照明系統(tǒng)的電源，并且可以根據(jù)RS485網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)教學(xué)樓照明系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理。圖3.3是系統(tǒng)中控制單個(gè)教室照明的設(shè)計(jì)框圖，由光電檢測(cè)模塊、熱釋電紅外人體探測(cè)模塊、控制器、驅(qū)動(dòng)電路以及燈具組、RS485接口電路等組成。將光電檢測(cè)模塊和熱釋電紅外人體探測(cè)模塊采集的光照信息以及室內(nèi)人數(shù)信息送到控制器，控制器根據(jù)這些信息對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)燈具自動(dòng)開啟。本文主要針對(duì)教室照明控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。P1.0~3VSCLP1.0~3VSCLVSDLT2控制器AT89S52INT1INT0光電檢測(cè)模塊塊鍵盤RS485接口電路熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理電路EEPROMAT24C02驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)1驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)N(4或6)燈具組1燈具組NRS485網(wǎng)絡(luò)圖3.3教室照明控制設(shè)計(jì)框圖

4校園照明控制系統(tǒng)的基本組成部分4.1主控中心系統(tǒng)使用通用計(jì)算機(jī)作為主控中心，通過RLINK通訊裝置與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊。計(jì)算機(jī)上可直接實(shí)現(xiàn)編程，監(jiān)控，故障報(bào)警等功能。局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)也可以通過主控中心實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。4.2RLINK通訊裝置主控中心與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各單元的通訊樞紐，實(shí)現(xiàn)RS485／RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換，具備系統(tǒng)自診斷功能和自動(dòng)故障報(bào)警功能。4.3照明控制器智能照明控制系統(tǒng)的核心部分，由控制模塊電路、驅(qū)動(dòng)模塊電路、照明專用自鎖繼電器組成。每個(gè)照明控制器均可獨(dú)立工作，也可以由計(jì)算機(jī)中心控制。主控中心停止工作或通訊中斷不影響控制器的正常運(yùn)行?？刂破饔卸喾N規(guī)格，單個(gè)控制器最多可控制48個(gè)回路。一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)最多可連接500個(gè)控制器。智能照明控制器主要由CPU模塊、電源模塊、通信模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、開關(guān)控制模塊等組成。通信模塊將所有的控制器連接成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò),便于值班員在監(jiān)控室對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,光強(qiáng)、溫度、電流檢測(cè)則是通過對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的檢測(cè)來判斷設(shè)備的工作情況,開關(guān)控制模塊則是通過光電耦合、大功率可控硅開關(guān)進(jìn)行控制的。4.4可編程開關(guān)智能的弱電開關(guān)，有1-8鍵等各種規(guī)格，開關(guān)本身使用24V安全電壓，不會(huì)有漏電的危險(xiǎn)，開關(guān)操作時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)打火和拉弧，確保安全。可編程開關(guān)上的每一個(gè)按鍵所控制的回路均由計(jì)算機(jī)編程設(shè)定，單鍵可控制多個(gè)回路，可根據(jù)情況變化隨意更改組合，使用起來靈活、方便。4.5紅外線感應(yīng)器（E5751L）利用紅外線或超聲波的原理，用于探測(cè)人體移動(dòng)時(shí)發(fā)出的紅外線，去感知周圍環(huán)境是否有人在活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅”的功能。也可以通過探測(cè)到人的活動(dòng)根據(jù)要求控制其他負(fù)載（如空調(diào)，風(fēng)扇，電動(dòng)門窗，報(bào)警器等）的開關(guān)。最大感測(cè)角90度，水平感測(cè)距離為6米圖4.1紅外線感應(yīng)器（E5751L）4.6照度傳感器核心部件是光電管，通過感應(yīng)外部自然光源的照度來調(diào)節(jié)室內(nèi)照明的亮度，實(shí)現(xiàn)智能探測(cè)和智能調(diào)節(jié)的功能。這種方法是和自然光檢測(cè)結(jié)合起來,在自然光充足的情況下,關(guān)閉照明燈以達(dá)到節(jié)能的目的,在光線不足時(shí)打開照明燈。依據(jù)這一設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)的方案主要有下列問題:由于不能進(jìn)行室內(nèi)是否有人的判斷,所以會(huì)導(dǎo)致在室內(nèi)無人但光線不足時(shí)打開照明系統(tǒng);如果僅使用模擬比較器的方式實(shí)現(xiàn)自然光充足與否的判斷,可能在光線充足與否的臨界點(diǎn)產(chǎn)生頻繁切換,導(dǎo)致照明燈壽命縮減,影響照明系統(tǒng)的正常工作。為解決這一問題，本設(shè)計(jì)中采用人體檢測(cè)單元和自然光檢測(cè)單元相結(jié)合的方案，它們兩者的輸出經(jīng)過與邏輯,輸出到MCU接口,故整個(gè)檢測(cè)單元只有在該檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有人且照度小于設(shè)定值時(shí)輸出高電平,否則輸出低電平。這樣就成功設(shè)計(jì)出了真正意義上的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)。4.7電話通訊裝置電話控制所需的附加設(shè)備。用戶直接撥打電話，根據(jù)提示音操作，控制照明開關(guān)。4.8蜂鳴器報(bào)警裝置蜂鳴器主要用于在管理部門制定的關(guān)燈時(shí)間快要到來時(shí)進(jìn)行發(fā)聲提示,給室內(nèi)人員以一定的準(zhǔn)備時(shí)間。這一延時(shí)時(shí)間可以自由設(shè)定。同樣,當(dāng)用戶設(shè)定的報(bào)警條件產(chǎn)生時(shí),蜂鳴器可以用于發(fā)出報(bào)警信號(hào)。5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1日光強(qiáng)度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)日光強(qiáng)度檢測(cè)模塊采用單片機(jī)89C2051作為控制處理核心,它具有價(jià)格低、體積小等特點(diǎn),滿足實(shí)際需求。傳感器選擇光敏電阻,用精密電阻與之串聯(lián)分壓得到一電壓信號(hào)送給A/D(見圖5.1)。為了減小模塊體積和降低成本,選擇低功耗、串行方式工作的TLC549作為A/D轉(zhuǎn)換器,其原理如圖5.2所示。TLC549是8位A/D轉(zhuǎn)換芯片,具有一個(gè)模擬輸入端口和一個(gè)3態(tài)的數(shù)據(jù)串行輸出接口,可方便地與單片機(jī)或外圍設(shè)備連接,它僅使用輸入/輸出時(shí)鐘(I/OCLK)和芯片選擇(/CS)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。R1R2R1R2ANALOGNVcc圖5.1日光強(qiáng)度感應(yīng)電路ANALOGIN2AINDOUTANALOGIN2AINDOUTI/OCLKREF+VCCREF-CSGND6DATAOUTI/OCLK713/CS5VCCVCC84TLC5490.01uF0圖5.2A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖5．2室內(nèi)進(jìn)出人數(shù)測(cè)量單元設(shè)計(jì)此單元選用雙元型熱釋電紅外器件P2288－02，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體進(jìn)／出門方向的判斷，利用后續(xù)電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，單片機(jī)對(duì)進(jìn)／出人員計(jì)數(shù)得到室內(nèi)的總?cè)藬?shù)。5.2.1雙元型熱釋電紅外傳感器判斷人體運(yùn)動(dòng)方向的原理熱釋電紅外傳感器主要用于檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線。單型熱釋電紅外傳感器由于只有唯一的一個(gè)敏感元件，因而對(duì)不同方向運(yùn)動(dòng)物體只能產(chǎn)生同樣的反應(yīng)信號(hào)。而雙元型熱釋電紅外傳感器具有兩個(gè)完全相同的敏感元件，其中一個(gè)敏感元件是用來檢測(cè)紅外線，而另一個(gè)在表面蒸上紅外反射膜，紅外反射膜達(dá)不到全反射的效果，較佳達(dá)到70％反射。當(dāng)人體靜止時(shí)雙元型熱釋電紅外傳感器兩元件極化程度相同。當(dāng)人體沿著兩個(gè)敏感元件反向串聯(lián)的方向（圖5.3（a））從左向右經(jīng)過，傳感器輸出波形大致如圖5.3（b）所示，由于右邊的敏感元件為噪聲補(bǔ)償元件，因此波形的第二個(gè)正峰值低于第一個(gè)正峰值。如果人體運(yùn)動(dòng)方向相反，傳感器輸出信號(hào)如圖5.3（c）所示。紅外窗口左紅外窗口左右敏感元件（a）(b)(c)圖5.3雙元型熱釋電紅外傳感器判斷人員運(yùn)動(dòng)方向原理5.2.2信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)將不同運(yùn)動(dòng)方向通過傳感器的輸出信號(hào)區(qū)分開，再利用信號(hào)處理電路將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谶M(jìn)行計(jì)數(shù)的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)處理電路框圖如圖5.4所示。熱釋電紅外傳感器輸出的電壓十分微弱，運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM324使傳感器的輸出信號(hào)放大至便于處理的1．0V～4．5V。將放大后的電壓信號(hào)通過帶通濾波電路、檢波整形電路和進(jìn)出人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路將統(tǒng)計(jì)結(jié)果送入單片機(jī)。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特征，帶通濾波電路的上限截止頻率設(shè)為16Hz，下限截止頻率為0．16Hz；檢波整形電路中，檢波電路中遇到兩個(gè)連續(xù)的低電平表示從進(jìn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)為出的狀態(tài)，兩個(gè)連續(xù)的高電平表示由出變進(jìn)，高低電平連續(xù)變化表示進(jìn)／出方向保持不變；整形電路遇到兩個(gè)連續(xù)的低電平將原信號(hào)進(jìn)行一次負(fù)跳變，遇到兩個(gè)連續(xù)的高電平進(jìn)行一次正跳變，從波形上區(qū)分進(jìn)出的情況。圖5.5所示為某次傳感器測(cè)得的進(jìn)出情況波形圖，其中圖5.5（a）為檢波電路的輸出波形，圖5.5（b）為整形電路的輸出波形。放大電路熱釋電傳感器P2288-02INT1單片機(jī)INT0進(jìn)出人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路檢波整形電路普通濾波放大電路熱釋電傳感器P2288-02INT1單片機(jī)INT0進(jìn)出人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路檢波整形電路普通濾波電路圖5.4雙元型熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理電路（a）檢波電路的輸出波形（b）整形電路的輸出波形圖5.5檢波整形電路輸出波形圖5.6為進(jìn)出人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路，由電壓比較電路、8253等構(gòu)成。8253有3個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器T0、T1、T2。計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1采用工作方式0分別用于進(jìn)入教室和離開教室電壓比較電路電壓比較電路DQ74LS74CP-QOUT2CLK28253GATE3與門與門CLK0OUT08253GATE0GATE1OUT18253CLK1ALEINT1INT089S525V圖5.6進(jìn)出人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路的人數(shù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過電壓比較電路后的輸出脈沖，高電平代表進(jìn)入教室人數(shù)，低電平代表走出教室人數(shù)，將這個(gè)脈沖信號(hào)送入74LS74，用D觸發(fā)器作方向判別，分別計(jì)數(shù)正反向脈沖數(shù)。計(jì)數(shù)器2采用工作方式3用于定時(shí)，輸入的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)由控制器89S52的ALE引腳提供，計(jì)數(shù)器2輸出的脈沖邊沿作為中斷申請(qǐng)信號(hào)，即每到10s，向8253提出一次中斷申請(qǐng)，將當(dāng)前的脈沖計(jì)數(shù)讀出來，送入單片機(jī)計(jì)算教室內(nèi)的總?cè)藬?shù)。5.3無線遙控模塊電路該部分采用PT2262,PT2272作為無線發(fā)射接收的處理芯片,是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路,PT2262/2272最多可有12位(A0～A11)三態(tài)地址端管腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供531441地址碼,PT2262最多可有6位(D0～D5)數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出,可用于無線遙控發(fā)射電路;PT2272也最多可有6位數(shù)據(jù)端管腳,天線接收信號(hào)從14腳串行輸入。5.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)室內(nèi)的照明燈具一般是白熾燈或日光燈。對(duì)于白熾燈負(fù)載，采用可控硅控制，由于可控硅的驅(qū)動(dòng)電流很小，必須接限流電阻。對(duì)于日光燈負(fù)載，采用繼電器控制，一般要在繼電器的線圈兩頭加一個(gè)二極管以吸收繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)，防止干擾。5．5控制、存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)控制器是系統(tǒng)的核心，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用美國(guó)ATMEL公司AT89S52單片機(jī)。存儲(chǔ)器采用美國(guó)ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM芯片AT24C02。AT24C02通過I2C總線與單片機(jī)進(jìn)行通信。5.6單片機(jī)及外圍電路系統(tǒng)采用89S51作為控制核心及熱釋電紅外檢測(cè)模塊輸出信號(hào)處理器,采用89C2051作為日光強(qiáng)度檢測(cè)模塊輸出信號(hào)的處理器,具有價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn),在各種控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。由于RS2485接口標(biāo)準(zhǔn)可以獲得較遠(yuǎn)的通信距離、極高的通信速率和較好的抗干擾性,所以單片機(jī)與PC遠(yuǎn)距離通信采用RS2485與RS2232接口標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的模式,其原理如圖5.7所示。R720KΩROVCCR720KΩROVCC/REBDEADIGND1234C0.1uFR2R3R4R510KΩ10KΩ10KΩ10KΩP3.0/REDEP3.1MAX481VCCVCCVCCR620KΩR8120KΩ但PC機(jī)不具備485接口,故采取兩標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的方案,即PC機(jī)通過232/485轉(zhuǎn)接設(shè)備接入485總線網(wǎng)絡(luò)。RS2485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合,抗共模干擾能力增強(qiáng),即抗噪聲干擾性好。在100kbit/s的傳輸速率下,可達(dá)到最大的通信距離約為1219m。如果需傳輸更長(zhǎng)的距離,需增加485中繼器。RS2485總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn),如果使用特制的485芯片,可達(dá)到128個(gè)或256個(gè)節(jié)點(diǎn),最大的可支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)。RS2485驅(qū)動(dòng)芯片采用MAX481,該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器,性能滿足系統(tǒng)需要,且易于獲取,價(jià)格便宜。5.7基于人體特征檢測(cè)的智能照明設(shè)計(jì)5.7.1設(shè)計(jì)思想在圖書館,體育館等場(chǎng)所,很多的地方其實(shí)沒有學(xué)生,而在這些區(qū)域,照明的亮度和有人區(qū)域卻是一樣的。在這些無人區(qū)域的照明根本沒有作用,我們可以稱之為無效照明。那么如何來減少無效照明以節(jié)約用電,同時(shí)又能產(chǎn)生好的照明效果呢?唯一可行的方法就是對(duì)人體進(jìn)行檢測(cè),對(duì)有人區(qū)域正常的實(shí)行較高亮度照明,而對(duì)無人區(qū)域降低照度或者關(guān)閉燈具。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,我們需要重新對(duì)照明的本質(zhì)進(jìn)行認(rèn)識(shí)。照明是為人體的視覺感受器提供光源的方法。因此作為智能照明系統(tǒng)的核心任務(wù)是對(duì)人體所在的位置進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)以人體為中心的一定范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼彰?。?jiǎn)單的說就是有人才需要照明。以此為基本原則,智能照明系統(tǒng)就有可能甩掉復(fù)雜而不方便的人工控制,實(shí)現(xiàn)真正的智能化和自動(dòng)化。本文以此為指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)了提出了一種以人體所在位置為中心點(diǎn),將燈具照度逐級(jí)減弱的智能控制系統(tǒng)。在一個(gè)矩形空間內(nèi)(圖5.8（a）),當(dāng)人體處于如圖所示的中間位置時(shí),他頭頂?shù)臒艟咛幱谧盍翣顟B(tài),而與之相鄰的燈具則只產(chǎn)生80%的亮度,再遠(yuǎn)則產(chǎn)生60%的亮度,依次遞減。這樣就形成了一個(gè)以人體為中心隨距離變化亮度漸暗的光環(huán)。當(dāng)人體移動(dòng)時(shí),燈光隨著人體位置的改變而改變自身的亮度,保持人體頭頂?shù)牧炼仁冀K為最高,周圍燈具的亮度則隨距離遞減,從而產(chǎn)生光環(huán)隨人體移動(dòng)的效果。變暗←變暗←最亮→融合←最亮人群處人群處變暗←亮→變暗圖a單人時(shí)亮度分布圖圖b多人時(shí)亮度分布圖圖5.8亮度分布圖當(dāng)同一空間存在多個(gè)人群時(shí)(圖5.8（b）),和單人時(shí)一樣,每個(gè)人群頭頂?shù)臒艟叨继幱谧盍翣顟B(tài),隨距離漸遠(yuǎn)而亮度遞減。這樣不同的人群對(duì)同一燈具就會(huì)產(chǎn)生不同的要求,在這種情況下應(yīng)對(duì)燈具的照度取較大值。這樣可以產(chǎn)生頭頂“光環(huán)”融合的效果。在體育館、圖書館等場(chǎng)合,跟隨人群移動(dòng)而移動(dòng)的燈光效果即能夠有效地節(jié)約電能又能夠產(chǎn)生良好的視覺效果,能夠一舉兩得。5.7.2人體特征檢測(cè)方法和數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)人體特征的檢測(cè)方法很多,可以利用紅外感應(yīng)人體的存在,通過多個(gè)探頭確定人體的位置;也可以采用射頻卡結(jié)合身份識(shí)別技術(shù),甚至能夠做到對(duì)VIP客戶采用一種照明策略,而對(duì)于普通客戶又采取另一種照明策略;還可以采用安裝在地板下壓力傳感器,通過檢測(cè)人體的體重來進(jìn)行檢測(cè),能夠?qū)⑷撕托⌒蛣?dòng)物區(qū)分開來這樣就可以防止因?yàn)樨?、狗等引起的無效檢測(cè);也可以使用小功率激光束在地面以上形成網(wǎng)格,當(dāng)人體移動(dòng)時(shí)將切割激光束,從而精確地確定人體位置;甚至還可以通過基于圖像的分析來到人體的具體位置。無論使用何種原理,何種探測(cè)系統(tǒng),都是將空間分成許多個(gè)區(qū)域,通過對(duì)不同區(qū)域的檢測(cè)來確定人體的位置,因此我們可以把被檢測(cè)的空間抽象成一維或多維數(shù)組形式。(圖5.9)a一維數(shù)組b．二維數(shù)組c.中間有障礙物的空間圖5.9檢測(cè)空間模型5.7.3燈具亮度的算法1）線性空間的算法(圖5.10)對(duì)于線性空間,燈具與人都可被認(rèn)為在一條直線上,因此算法分為兩步:檢測(cè)第i區(qū)檢測(cè)第i區(qū)本區(qū)置1ai=1結(jié)束本區(qū)有人i=0最后一個(gè)i=i+1（a）位置算法ai=1ai=1bi=1b（i+1）=0.8b（i-1）=0.8b（i+2）=0.6b（i-2）=0.8b（i+3）=0.4b（i-3）=0.4b（i+4）=0.2b（i-4）=0.2i=0結(jié)束i=i+1（b）亮度算法圖5.10線性空間的算法(1)確定人體位置:通過傳感器獲得從各個(gè)區(qū)域的參數(shù),通過位置算法得到位置數(shù)組[a]i。首先檢測(cè)第一個(gè)區(qū)域如果有人則a1置1,如果沒人則置0,再檢測(cè)第二個(gè)區(qū)域,如果有人則a2置1,沒人則置0,以此類推,得到位置數(shù)組[a]i。(2)計(jì)算燈具的亮度:通過亮度算法從“位置數(shù)組”[a]i→“亮度數(shù)組”[b]i。首先建立一個(gè)循環(huán)體,從a1掃描到an,找到為1的項(xiàng),找到后這一項(xiàng)為1;N+1、N—1項(xiàng)為0.8;N+2、N—2項(xiàng)為0.6,依此類推得到亮度數(shù)組[b]i。如果有多個(gè)項(xiàng)為1,則可在每一輪掃描中建立多個(gè)不同的亮度數(shù)組[b1]i,[b2]i,??,再將各個(gè)亮度數(shù)組逐一比較大小,取較大值產(chǎn)生最終的亮度數(shù)組。2）二維空間的算法(1)二維數(shù)組→線性表由于考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將要使用單片機(jī)來完成控制和運(yùn)算,因此需要將二維數(shù)組轉(zhuǎn)換成線性表。二維數(shù)組[a]ij應(yīng)該表示為:[a]ij[a]i:（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）(1)(2)(3)(…)(13)(14)(15)（11）（12）（13）（14）(15)(2)線性表→亮度數(shù)組同樣“位置數(shù)組”[a]ij也需要轉(zhuǎn)換為“亮度數(shù)組”[b]ij。(假設(shè)7區(qū)有人)0.6←0.8→0.6→0.4→0.2↑0.8←1→0.8→0.6→0.4↓0.6←0.8→0.6→0.4→0.2在運(yùn)算過程中,首先應(yīng)當(dāng)尋找aij=1項(xiàng),找到后,對(duì)本行的亮度進(jìn)行計(jì)算,完成后,再對(duì)本列進(jìn)行計(jì)算(第二項(xiàng)和第十二項(xiàng))。j-1行根據(jù)第二項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算,j+1行根據(jù)第12項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際的應(yīng)用中,絕大部分的空間都是二維的,針對(duì)各種不同的情況,亮度數(shù)組在i方向和j方向上的衰減可以有多種不同的模式,未必都是“圓形光環(huán)”,也可以是“橢圓型”或者是“矩形”。在從線性表→亮度數(shù)組的運(yùn)算過程中,如果受到單片機(jī)運(yùn)算能力的限制也可以考慮使用查表操作替代實(shí)時(shí)的運(yùn)算,只要空間不是太大。2）不規(guī)則空間的算法不規(guī)則空間的形式有很多,以圖5.9（c）為例:由于a22,a23,a24都為-1,即不可能有人進(jìn)入,可以認(rèn)為一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。a11→a12→a13→a14→a15↑↓a21a25↑↓a31←a32←a33←a34←a35可轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組:{a11，a12，a13,a14,a25,a35,a34,a33,a32,a31,a21}之后可參考一維數(shù)組的實(shí)現(xiàn)方法。人體位置傳感器根據(jù)不同場(chǎng)合不同需要可采取不同的形式,但在一般場(chǎng)合可選用較為成熟普及的紅外傳感器。對(duì)于較大的場(chǎng)景出于布線復(fù)雜性的考慮,也可采用攝像頭結(jié)合人體輪廓識(shí)別技術(shù)來獲取人體位置。同時(shí)系統(tǒng)還應(yīng)具備光照度傳感器以實(shí)現(xiàn)恒照度控制?？刂破饔呻娫?、主控芯片、看門狗電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器四部分組成,根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)配合不同的總線收發(fā)電路。其中主控芯片可選擇AT89C52系列,內(nèi)置看門狗和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。燈具部分可根據(jù)需要選取熒光燈、鹵素?zé)艋蚱渌麩艟?同時(shí)應(yīng)當(dāng)選配合適的調(diào)光控制器。在系統(tǒng)總線的選擇上則以開放式總線系統(tǒng)為佳(EIB,X10等)。在整個(gè)系統(tǒng)中只有控制器是需要重新開發(fā)的,其他設(shè)備均可在市場(chǎng)上找到。6系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用雙元型熱釋電紅外傳感器檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)方向，將采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，判斷出人員移動(dòng)的方向，規(guī)定人進(jìn)入教室則計(jì)數(shù)裝置加1，出則減1。設(shè)計(jì)軟件的流程圖如圖6.1所示，圖6.1中鍵盤主要用于某些特殊情況，例如開會(huì)時(shí)會(huì)場(chǎng)的布置、突發(fā)狀況等，由管理員按下按鍵。單片機(jī)軟件主要的功能是：將測(cè)量的輻射照度轉(zhuǎn)換成光照度；根據(jù)進(jìn)／出室內(nèi)的人員數(shù)量計(jì)算出室內(nèi)的人數(shù)；根據(jù)設(shè)定的條件，對(duì)各組燈具的開／關(guān)進(jìn)行控制。開機(jī)開機(jī)系統(tǒng)自檢鍵按下燈全開啟動(dòng)輻射照度測(cè)量啟動(dòng)人員近處測(cè)量輻射照度轉(zhuǎn)換室內(nèi)人數(shù)計(jì)算燈全不開<300lx室內(nèi)人數(shù)=00<室內(nèi)人數(shù)<3030<室內(nèi)人數(shù)<60150<室內(nèi)人數(shù)燈全不開燈開一組燈開兩組燈全開（六組）…..…..圖6.1軟件流程圖其他不同應(yīng)用場(chǎng)合的具體照明控制流程稍有不同，但均可按照教室的照明設(shè)計(jì)方案類似編制，此處從簡(jiǎn)，這里僅以教室為例。7校園各部分的具體設(shè)計(jì)方案7.1教學(xué)樓大學(xué)城各學(xué)校的教室，燈光照度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為室內(nèi)平均照度300lx，講臺(tái)點(diǎn)照度5001x，如此高的照度要求，如果沒有合理控制方案，能源上將造成巨大的浪費(fèi)。因此，智能照明控制系統(tǒng)，不但用于控制公共樓道的燈光，普通教室、階梯教室、投影室的應(yīng)用也具有相當(dāng)?shù)膶?shí)際意義。對(duì)于學(xué)校而言，使用調(diào)光控制顯然造價(jià)過高，難以接受，而且教學(xué)樓的燈具大多選擇了日光燈，調(diào)光控制需要專用的調(diào)光鎮(zhèn)流器，比較煩瑣。因此，開關(guān)控制是主要的控制方式。以350座位階梯教室為例，每個(gè)教室安裝一個(gè)照明控制器。教室內(nèi)的燈具以區(qū)域和隔燈劃分回路，既可以根據(jù)教室的上課人數(shù)開部分區(qū)域的燈光，也可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)教室1／3、2／3、3／3的照度。教室窗邊設(shè)置照度傳感器，控制窗邊燈光和電動(dòng)窗簾，充分利用室外自然光。前后門口和講臺(tái)上都安裝可編程開關(guān)，任何一個(gè)開關(guān)都可以控制室內(nèi)的所有燈具。同時(shí)，控制器也對(duì)教室內(nèi)的其它電器進(jìn)行開關(guān)觸電控制，并且與燈光聯(lián)動(dòng)。例如投影聯(lián)動(dòng)模式：事先設(shè)定一個(gè)情景模式，老師只需按一下按鈕，投影儀自動(dòng)打開，投影幕自動(dòng)放下來，電動(dòng)窗簾關(guān)上，講臺(tái)的燈光關(guān)閉，座位席上方的大部分燈光關(guān)閉，保留一些必要的照明，以方便學(xué)生作筆記。通過這一系列的控制手段達(dá)到了最佳的節(jié)能效果，同時(shí)也提高了教學(xué)管理的質(zhì)量。7.2圖書館學(xué)校圖書館，共五層，每層均分為A、B、C三個(gè)大區(qū)。首層是計(jì)算機(jī)中心、書庫(kù)，并有一個(gè)報(bào)告廳；二至四層是圖書閱覽室，五層的A、B區(qū)是閱覽室，c區(qū)是資料庫(kù)。大閱覽室照明使用三管日光燈，閱覽區(qū)平均照度3001x，藏書區(qū)照度200Ix。照明控制方式采用開關(guān)控制方式，根據(jù)區(qū)域和隔燈方式劃分回路。每個(gè)閱覽室設(shè)一個(gè)照明控制器，與照明配電箱一起安放在服務(wù)臺(tái)旁，以便管理。門口安裝可編程開關(guān)，開關(guān)控制的回路由編程確定，其中每個(gè)開關(guān)均設(shè)定其中一鍵控制整個(gè)閱覽室燈具。書庫(kù)和計(jì)算機(jī)中心考慮到書籍保護(hù)和計(jì)算機(jī)使用的要求，照度相對(duì)較低，控制方法與大閱覽室相同。報(bào)告廳使用了兩種燈具，正常照明使用日光燈，投影和演示時(shí)使用筒燈，為人員進(jìn)出提供方便。筒燈照明不計(jì)算正常照明的照度。日光燈和筒燈采用邏輯聯(lián)動(dòng)控制方式，會(huì)議演講時(shí)使用正常照明，筒燈關(guān)閉。開啟投影演示時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉所有日光燈，開啟筒燈。照明控制箱和控制開關(guān)安裝在報(bào)告廳的控制室，控制開關(guān)上的指示燈實(shí)時(shí)指示回路的狀態(tài)。整個(gè)圖書館由大約20個(gè)控制器連成一個(gè)RS485控制網(wǎng)絡(luò)，由一臺(tái)主機(jī)控制。主機(jī)通過校園局域網(wǎng)與其它網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。7.3體育館體育館照明控制的主要目的不在于節(jié)能，而在于有效管理場(chǎng)館內(nèi)的所有燈具，配合多種比賽的需要，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。比賽場(chǎng)館燈具選用斜照型和深照型燈具，考慮到燈具的功率都較大(一般在500W至2000W左右)，照明控制設(shè)計(jì)上采用一回路控制一個(gè)燈位的方式，一個(gè)控制回路的容量為4400W，確保了有足夠的余量?？刂苹芈芬话悴捎瞄_關(guān)控制方式，部分采用調(diào)光?？刂苹芈返慕M合聯(lián)動(dòng)根據(jù)比賽項(xiàng)目、比賽場(chǎng)地大小和燈位的情況來設(shè)定。采用邏輯控制方式，通過編程設(shè)置籃球、排球等各種比賽模式，各種模式的開啟和切換均由一鍵完成。同時(shí)，照明控制系統(tǒng)應(yīng)該與音響控制系統(tǒng)和消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)音樂響起。燈光馬上會(huì)出現(xiàn)一些變化效果作為配合。如開球、進(jìn)球得分都會(huì)由不同的場(chǎng)景。消防聯(lián)動(dòng)的作用是確?；鹁瘯r(shí)應(yīng)急照明啟動(dòng)，方便人員的疏散。7.4行政中心行政中心會(huì)議室采用智能場(chǎng)景開關(guān)為控制方案。該場(chǎng)景開關(guān)內(nèi)已含有控制電路，可獨(dú)立工作，無需照明控制器。一個(gè)開關(guān)可控制兩個(gè)開關(guān)回路和一個(gè)調(diào)光回路，每回路最大功率2000W。一個(gè)會(huì)議室可用多個(gè)場(chǎng)景開關(guān)，開關(guān)之間可通訊。場(chǎng)景模式直接在開關(guān)面板上設(shè)定，無需計(jì)算機(jī)編程。通過使用場(chǎng)景開關(guān)，可方便的實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景，提供多種場(chǎng)合(如開會(huì)、投影、中場(chǎng)休息等)所需的照度。這種把控制芯片集成到開關(guān)的控制方式對(duì)一些小型的室內(nèi)環(huán)境(如會(huì)議室、家庭非常適合)。需要指出的是，這種開關(guān)在布線上與傳開關(guān)有六線與其連接。可認(rèn)為開關(guān)本身就是一個(gè)小功率用電器，市電和燈具均有N線與開關(guān)連接。7.5學(xué)校園區(qū)除了各種建筑物以外，學(xué)校戶外的景觀照明也是整個(gè)校園照明控制系統(tǒng)的重要部分。景觀照明的目的不光是夜間道路照明，也是美化學(xué)校環(huán)境，為各種節(jié)日和慶典活動(dòng)增添色彩的需要。利用日志編程和特殊日設(shè)置的功能，可在一年內(nèi)設(shè)置不同季節(jié)，不同月份，某個(gè)節(jié)日的照明效果。另外，由于一年四季有不同的日照時(shí)間，系統(tǒng)將具備自動(dòng)識(shí)別功能。其識(shí)別功能通過傳感器和軟件兩種手段實(shí)現(xiàn)。照度傳感器可自動(dòng)感應(yīng)戶外光線，為控制器提供開關(guān)信號(hào)。但為了避免一些外界因素的影響，如陰雨天氣，或是傳感器的探頭被灰塵覆蓋，不能正確識(shí)別光強(qiáng)度等，系統(tǒng)軟件能根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章滟Y料數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整開關(guān)時(shí)間。兩種形式相結(jié)合，達(dá)到了最佳的節(jié)能效果。7.6辦公走廊等公共場(chǎng)所在人流量不大但卻需要有一定燈光照明的場(chǎng)所可采用動(dòng)態(tài)傳感器,利用紅外線或超聲波的原理，自動(dòng)識(shí)別區(qū)域內(nèi)是否有人存在而給控制器發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅”的動(dòng)態(tài)控制功能，可用于走廊、樓道及衛(wèi)生間等類似場(chǎng)所的照明使用。辦公走廊等公共燈采用（樓宇自控系統(tǒng)）BAS控制,控制原理如圖7.1所示。在每一回路加接觸器,通過接收BAS信號(hào)控制接觸器開斷/閉合,從而方便、有效地控制照明用電時(shí)間,以達(dá)到節(jié)能的目的。QFQFQFQFKMKMKM電梯廳照明樓梯照明走廊照明BAS控制圖7.1BAS控制原理圖7.7多功能廳照明控制系統(tǒng)如7.2所示。每個(gè)譯碼器帶4個(gè)繼電器,每個(gè)繼電器帶1路熒光燈,白幟燈通過調(diào)光器控制。該系統(tǒng)通過調(diào)光、場(chǎng)景控制等功能來提高照明質(zhì)量,不僅控制照明光源的發(fā)光時(shí)間、亮度,而且配合不同應(yīng)用場(chǎng)合作出相應(yīng)的燈光場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)管理智能化和操作簡(jiǎn)單化,適應(yīng)未來照明布局和控制方式變更等要求。~220V中轉(zhuǎn)器~220V中轉(zhuǎn)器調(diào)光器繼電器……..繼電器變壓器……..調(diào)光器變壓器變壓器無線接收器熒光燈熒光燈白熾燈白熾燈信號(hào)線圖7.2多功能廳照明控制系統(tǒng)8系統(tǒng)測(cè)試測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件:保持日光強(qiáng)度檢測(cè)模塊固定不變,熱釋電紅外人體檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有人,無遙控按鍵強(qiáng)制開關(guān)燈,預(yù)設(shè)照度為1000lx。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)如表8-1所示。由表1測(cè)試數(shù)據(jù)可知,在預(yù)設(shè)照度為1000lx的情況下,當(dāng)前照度不小于10