基于CAN/LIN总线的教学楼智能照明系统

1  引言

　　智能照明系统在智能办公大厦、现代化建筑中的研究运用较多，而对于教学楼的研究运用却很少，导致传统的照明系统目前仍被广泛使用，其基本结构是动力线根据设备控制需求进行分线，用手动开关直接控制电源，不存在控制信息流的概念。本文探讨基于CAN/LIN总线的智能照明系统，实现对整个系统的集中管理，降低系统的管理费用。采用可调光电子镇流器恒照度控制，充分利用日光，真正实现了合理节能，为学生营造舒适的学习环境;灯具软启动，延长使用寿命，减少了系统的运行费用。

　　CAN网络(Controller Area Network)是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。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可靠地工作[1]。LIN 总线是一种低成本的串行通讯网络，目标是为现有汽车网络(例如CAN总线)提供辅助功能。在不需要类似CAN的高端汽车总线的带宽和多功能的场合，使用 LIN总线可以大大节省成本。在LIN实现的系统中，通常将模拟信号量用数字信号量替换，这将使总线性能得到优化。因此，CAN/LIN总线很快由最初的汽车行业扩展到工业控制领域[2]。

2  系统设计

　　本系统干线采用CAN总线，支线采用LIN总线。CAN总线具有很高的可靠性，高速、长距离传输，开发系统廉价，其特有的多主传送方式，可以使各个分机(节点)根据需要自主发送数据，无需主机不停地轮询，节省网络上的数据流量，传输效能高。CAN总线的上述性能都已固化在CAN总线处理芯片之中，使用极为方便[3]。LIN总线基于通用UART接口，几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件，网络采用极少的信号线(一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线)，设备硬件成本低[2]。

　　数字化可调光电子镇流器智能照明系统实现的功能[4]:

　　(1)分散控制:将控制功能分散给系统每一个子控制器;

　　(2)全自动调光:使照明系统工作在全自动状态,系统可设定若干个状态，这些状态会按预先设定的时间相互自动切换,并将照度自动调整至最佳的工作水平。

　　(3)在每个控制终端面板上均可观察到本单元灯的亮灭状态;

　　(4)自锁:若停电,来电后所有的灯均保持熄灭状态;

　　(5)自动控制与人为干预相结合，现场设置开关,方便操作;

　　(6)可在监控室实现对整个照明系统的监测管理;

2.1  硬件设计[5]

　　CAN/LIN总线控制系统示意参见图1:

图1     CAN/LIN总线控制示意图[page]

　　(1) 系统单元:PC机(带CAN接口卡)、系统电源、每层楼的子监控单元(51单片机8LPC902)、各教室终端控制器(51单片机8LPC902)。PC 机作为主控制器，向各个子单元发布和接受信息，对整个照明系统进行监控，并负责恒照度控制的逻辑运算。子监控单元主要负责通讯转接，在其与CAN总线接口处加CAN/LIN总线网关进行数据转换。
　　(2) 输入单元:单／双／四键开关、室外／室内红外线感应器、照度传感器、光电感应器、辅助输入单元，它们均作为教室控制器的的信号源，LIN总线上的终端控制器地址编号通过拨码开关设定，其主要负责信号采集和存储及响应总线要求发布信息，同时，对采集的信号进行简单的判断，以决定各输出单元的工作状态。终端控制单片机采用LIN收发器来接受发布信号，内部信号采集采用循环扫描，时实更新的方法。
　　(3) 输出单元:单／双／四／十二路等继电器、四／八路调光器、四路模拟输出单元。
　　(4) 教学楼楼道作为一个终端子单元开对待，利用红外线传感器作为输入，调用主控机最近一次照度计算值来判断，不单独安装照度传感器。

2.2  软件设计

　　LIN总线上单片机的控制程序框图(图2所示):

图2     终端控制器程序框图[page]

(1) 智能照明系统中的恒照度控制[6]

　　使用光电感应器测得室外阳光的垂直照度后，输入一个基于遗传算法的RI模型,估计出室内的桌面照度,再与设定值比较，来控制照明的开关，这样可以最大限度地利用自然光，达到节能的目的，也可以提供一个不受季节与外部环境影响的相对稳定的视觉环境。该模型与使用室内照度传感器相比，其优点是避免当人工照明打开情况下，判断接下来的一段时间里，自然光是否足以满足照度的要求，是否关闭人工照明的困难。一般来讲,越靠近窗，自然光照度越高，人工照明提供的照度就越低，但合成照度应维持在设定照度值，如图3所示庞大群体的活动场所—教学楼，开发人性化的。

图3     室内光照示意图

(2) 软启动

　　灯具采用软启动器，开灯时，灯光由暗逐渐变亮，避免亮度的突然变化刺激人眼,给人眼一个缓冲时间,保护学生眼睛，避免大电流和高温的突变对灯丝的冲击,保护灯泡,延长使用寿命。

(3) 主控机管理程序

　　PC机管理程序在Windows2000操作系统下，利用Visual C++开发，包括系统监控、通讯管理、数据运算、命令输出以及键盘显示等模块。系统运行时，各教室灯具的工作状态以图形的形式显示在PC机的显示器上，各层显示图象间可互相切换，形象直观，操作方便[7]。

3  结束语

　　该智能照明系统改善了教室的照明环境，传统照明系统中,配有传统镇流器的日光灯以100Hz的频率闪动,且启辉时的亮度不稳定,而智能照明系统中的可调光电子镇流器则工作在很高频率(40~70kHz),克服了频闪，利于保护学生视力,提高学习效率。该系统的自动调光,充分利用自然光,使室内的照度始终保持在恒定值附近，改善灯具的工作状态。光源减弱与寿命的关系如附表[6]。

附表 光源减弱与寿命的关系

　　充分利用天然光，节约照明用电，智能调光可以大大提高灯具使用寿命。本系统红外线监测功能，避免“长明灯”，减少了人为浪费，降低运行维护费用，带来可观的投资回报。持续发展的需要,有着十分重要的意义;同时具有巨大的生态、环境和经济效益。针对学生这个智能照明系统也显得尤为必要。