陈世栋开题报告

1、西安建筑科技大学研究生学位论文选题报告学 号 1008240884 研 究 生姓 名 陈世栋 学 院 信息与控制工程学院 学科专业 系统工程 攻读学位 硕士 导师姓名 段中兴 2012年4 月 20 日一、课题名称：地铁车站人工照明控制与节能研究国家级科研项目省（部）级科研项目横向课题自选课题二、课题研究的目的意义（包括在我国应用的前景）、国内外研究现状及水平。1、论文研究的背景和意义随着经济的快速发展，我国城市交通步入了一个多元化发展的历史时期，但由于现阶段城市建设发展速度相对滞后，造成了城市中拥堵严重，大大影响了人们的出行，并且伴随机动车辆增多，空气污染也愈发严重，这就促使了很多城市形成了

2、以地下轨道交通为主的新型交通模式，与此同时城市地下轨道交通的地下车站也就成为人们关注的焦点。地铁车站由于身处地下，属于地下建筑，其主要特点是无窗和无天然采光，光环境主要依靠人工照明，而且由于地下空间的封闭性不免使人觉得沉闷、压抑，光的亮度和色彩是决定室内气氛的主要因素，可以使封闭沉闷的空间给人宽敞、愉快的感觉，减轻甚至消除人的沉闷感1-5。其次，由于地铁车站处于地下，当人处于地下封闭空间时心理会发生变化，常常会有迷路等现象的发生，通过设置灯光的对比度可以很容易的使人找到所去的地方。另外，地铁车站照明负荷容量大、供电时间长,在地铁系统中照明的用电量仅次于通风空调、自动扶梯的用电量,因此优化照明配

3、电与控制设计,对节约能源、降低投资和运营成本、方便系统维护具有重要的意义6-11。地铁车站通常分为地下两层：站厅层和站台层，而公共照明区域分为出口段、入口段、站厅段和站台段，设计亮度应考虑地理环境、周围的客观环境和供电环境等因素，其中在入口和出口的照明应严格按照地下建筑照明设计标准CECS 45:92中规定设置过渡照明，在站厅段照明中应考虑通过灯光的对比度对人群的指向性，而在站台段则需要考虑到灯光对人们舒适度的影响等。针对此背景，希望能通过研究，结合我国地铁车站的实际情况，优化现行的空间照明方法，准确、便捷地控制亮度，为公众提供安全舒适的乘车环境，而且对降低照明系统成本、促进我国城市地下轨道建

4、设可持续发展具有重要意义。2、国外研究现状国外地下空间照明技术研究开始较早，技术相对成熟，理论比较完善，各发达国家也制定了自己的地下空间照明规范，他们主要强调突出人的舒适度, 着重运用灯光自身的特性去加强空间的特性, 将照明设计的三个层次 (明亮、舒适及艺术表现力 )充分运用到实际的照明工程中去12-153031。在国外，照明控制通过长期的理论方面的研究和实践应用相对比较成熟。例如，澳大利亚邦奇电子的Dynalite智能照明系统，瑞士ABB公司的I-Bus系统，澳大利亚奇胜科技的C-Bus系统，美国路创公司的GRAFIK系统等。其中，当时被广泛接受的标准是国际照明委员会1982年制定的（CIE

5、 No30.2,1998）。随后，对这个规范进行了先后两次修订。各发达国家在照明设计技术方面已经形成了规范性的标准，相对比较完善。现如今，快速发展的CAN总线、PROFIBUS总线和DeviceNet总线等工业总线常被用于对照明的控制17-2033。3、国内研究现状我国的照明设计起步较晚，相关研究较少。但是自从1965年国内第一段地铁通车后，国内关于地铁车站内部照明的研究一直在进行着。1996年，我国颁布了地下铁道照明标准（GB/T 162751996），此标准规定了地下轨道各个方面的照度标准。随着LED灯在地铁照明中的广泛使用，国家半导体照明工程研发及产业联盟在2011年10月颁布了地铁场所

6、照明用LED灯具技术规范，其中对地铁照明的照明质量，照明节能，运行维护等问题做出了详细的规范1315。在我国照明控制系统主要经历了三个阶段，分别是人工控制阶段、时序控制阶段和自动调光控制阶段。在照明控制发展初期，大多采用人工控制的方式进行照明控制，因为在照明控制方面计算机技术和电子技术应用的成熟度还是不够的。根据不同时段和现场环境，由专人负责照明管理控制，照明灯具开启关闭的数量也是由专门人员主观决定的。采用这种照明控制必然增加地铁站的运营成本，造成资源很大方面的浪费，尤其是地铁车站建设的前期投资和后期运营费用等。随着计算机技术和电子技术的快速发展，智能照明自动控制方式逐渐取代了手动控制方式，逐

7、渐的在地下空间照明设计中被大量广泛的投入使用。自动照明控制系统主要通过有效地控制地下空间照明灯具开启的数量和灯光亮度的调节给乘客提供一个更舒适的环境，大大的提高了地下空间的舒适度。自动照明控制系统主要通过对地下空间内外的自然环境和照明环境的监测，实时的对照明灯具进行调节控制，以达到实际照明需求，也不增加能源利用的负担21。照明控制技术的不断发展，地下空间照明控制系统越来越完善。随着自动调光照明控制技术大量的应用于照明控制系统设计，照明控制系统不断的趋于智能化。自动调光技术主要是控制计算机依据外界实际自然照明亮度变化，通过照明控制系统的控制器合理的对照明灯具进行调光，使照明灯具发出相应的照明亮度

8、水平的光能，满足安全性和舒适性22-2426。目前在我国，由于智能调光灯具的造价比较高，因此智能调光控制技术还没有大范围的应用到照明系统中。随着社会经济的发展和智能照明技术需求的不断提高，智能调光控制技术必将成为未来照明控制技术的发展方向21。三、课题研究的主要内容，方案和准备采用的措施。1、课题研究的主要内容随着国内外地下空间采光照明理论研究的发展以及照明技术的进步，地铁站得照明控制有了更大的发展空间。由于地铁站内情况复杂，每个区域的照明要求不同，在满足照明给乘客的舒适感和指向性的同时尽可能的达到节能，所以本研究将照明控制作为研究重点，设计基于DeviceNet总线的地铁站智能照明控制系统：

9、应用传感器采集数据，通过处理器对数据进行处理根据不同环境下达指令调节照明亮度，然后通过DeviceNet总线传给上位机，上位机对照度进行监控并可人为下达指令改变光源亮度，从而实现准确、快速地调节亮度。课题主要研究内容如下：(1)根据地铁站照明的实际情况并考虑国内对地下轨道照明设计规范要求，对灯光布置、照明色温、照明启动等问题进行研究，提出基于DeviceNet总线智能照明的具体方案。(2)设计基于ARM处理器的DeviceNet智能照明控制节点。设计数据采集模块、数据存储与处理模块、TFT液晶显示模块和通信接口模块等，设计各模块的具体电路和制作PCB板，完成系统硬件搭建工作，并对各个模块进行测

10、试，实现基本硬件功能。(3)设计基于C/OS-II系统的DeviceNet协议栈，首先将C/OS-II系统移植到基于ARM处理器的DeviceNet智能照明控制节点，在系统移植成功的条件下，分别从主节点和从节点两个方面进行软件设计，完成主、从节点之间的通讯。(4)对地铁车站进行实测，优化数据处理算法，完成系统整体设计。2、课题研究的方案和准备采用的措施（1）课题设计要求与研究总体方案设计 本课题研究是针对地铁车站的照明进行智能化设计，通过对地铁站照明的智能化控制，达到地铁站照明的要求。地铁车站通常分为地下两层：站厅层和站台层，而公共照明区域分为出口段、入口段、站厅段和站台段，每一段照明要求都有

11、其特殊性。各段设计要求如下：1) 出入口段：地铁车站通常处于地下，无自然采光，照明基本靠人工照明，这就使得在入口照明不充足的情况下乘客前方的入口将是一个黑洞，乘客很难辨认障碍物，从而造成事故的发生，而出口刚好是个相反的过程。这就使得我们必须要在出入口设置过渡照明。过渡照明主要以自然照明为主，人工照明为辅，而人工照明要以室内外照明环境的不同而有不同的变化，减小室内外亮度变化，使人眼更容易、更快的适应周围环境的变化。2) 站厅段：站厅是乘客买票及换乘其他车辆的主要场所，由于人们进入地下建筑后方向感和认知能力都有所下降，再加之心理因素的影响就使乘客容易迷路。所以站厅段的照明应具有一定的导向性，通过改

12、变重点区域照明的对比度实现照明的视觉引导。另外站厅段是整个地铁车站照明的主要场所，所以也是节能改造的主要区域，系统通过对不同时段内照度的改变实现基本的节能改造。3) 站台段：站台段是乘客候车的场所，在候车的同时也是乘客互相交谈的场所，所以对站台段的照明要求是通过照度的改变和光源颜色的变化给人以轻松愉快的候车环境。另外，在站台与车辆之间的屏蔽窗前应设置重点照明，使乘客分辨出站台界限，避免出现事故。本课题研究使用不同的传感器对不同的区域的照度、乘客流量等数据进行采集，通过DeviceNet网络传输至相应的控制器，然后数据经控制器处理传输给上位机，从而使上位机实现监控功能，与此同时，控制器控制执行机

13、构进行灯光照度的调节。（2）选用DeviceNet网络的可行性 Devicenet协议是一种适用于最底层的现场总线，其具有简单、廉价而且高效的优点。DeviceNet可以连接各种半导体，比如简单的挡光板、复杂的真空泵等。DeviceNet通过串行连接可以减少硬连接带来的昂贵代价。通过硬接线I/O接口很难实现设备的诊断功能，而且DeviceNet能够将设备间的通行改善。DeviceNet不仅提供ISO模型的第7层（应用层）定义，而且对部分第1层（物理收发器）和第0层（传输介质）也进行了定义。在DeviceNet中，也清楚的规定了各个DeviceNet节点的物理连接，并且详细规定了连接器、电缆长度

14、和电缆类型，以及与通信相关的开关、指示器、相关的室内铭牌等。 DeviceNet可用125kbps、250kbps和500kbps三种通讯波特率，其最大可对64个节点进行操作。有两种方式可以给设备进行供电，一种是DeviceNet总线供电（最大总电流8A），另外一种是独立电源供电。DeviceNet不仅能够给网络设备供电，而且还能传送网络通讯信号。由于DeviceNet应用范围很宽广，故其规定了不同规格的电缆（粗电缆、细电缆和扁平电缆）以便能够适用于不同的工业环境。DeviceNet设备可在系统运行时，可以将其物理接口从网络中断开或者与网络连接。而且如若连接相反，其可进行自保护。为了使得系统运

15、行和维护简单化，通过处理数据交换的同时对DeviceNet设备进行配置和参数设置的方式实现。DeviceNet的通讯模型是“生产者-消费者”，其基本原理是CAN协议。网络上的数据由DeviceNet发送节点生产，而消费网络上数据的是DeviceNet接收节点；两个或多个设备之间的通信总是符合基于连接的通讯模式。（3）智能照明控制器的硬件设计方案系统通过智能照明控制器实现各区域不同要求照明的控制以及各节点与上位机的相互通讯。所以智能照明一般包括数据采集模块、执行模块、CAN总线接口电路和微处理器外围电路。整个系统原理框架如图所示。图1硬件结构图智能照明控制器的主要功能有现场控制、灯光的软启动、软

16、关闭、灯光亮度调节、DeviceNet总线各节点之间的通讯以及总线上各个设备与上位机之间的通讯。通过智能照明控制器，用户可以方便的控制各个区域的照明，并且在无人监控的情况下也可以实现对照明的实时控制。在起到控制作用的同时智能照明控制器还能够有效的保护照明设备，节约电能。（4）基于C/OS-II系统的DeviceNet协议栈的设计网络协议是计算机网络中不可缺少的组成部分，其功能在于确保计算机之间能够进行正常、可靠的数据通讯。计算机之间数据通讯的高度自动化，对网络协议的功能和性能都提出了非常高的要求。从功能角度看，网络协议是为了进行计算机网络的数据交换而建立的一系列规则、标准或约定。DeviceN

17、et是1994年由美国Rockwell公司开发的一种基于CAN的现场总线。作为一种串行通信技术，CAN是在20世纪80年代中后期发展起来的，并已经成为国际标准通信(IS011898)，在众多领域中得到广泛的应用。目前，许多大的半导体生产商生产CAN芯片或带有CAN控制器的微控制器，为与CAN相关产品的开发带来便利。CAN本身并非一个完整的协议，它没有指定流量控制、数据分割、节点地址分配、通信控制等具体内容。这些内容被包括在更高层的协议中，允许各个厂商自行开发。DeviceNet协议正是这样一种基于CAN的高层协议。CAN协议最初是由德国Bosch公司为解决现代汽车内部大量的控制测试仪器与传感器

18、、执行机构之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。ISO/OSI网络模型按通信功能分为7层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。CAN只采用了其中的物理层和数据链路层，而DeviceNet则在CAN的基础上增添了应用层。嵌入式操作系统C/OS-II（microcontroller operating system）是专为微控制器系统和软件开发而设计的公开源代码的抢占式实时多任务操作系统内核，是一段微控制器启动后首先执行的背景程序，作为整个系统的框架贯穿系统运行的始终。对于对实时性和稳定性要求很高的数据采集系统来说，引入C/OS-II无疑将大大改善其性能。C/OS-

19、II的特点可以概括为以下几个方面：公开源代码，代码结构清晰明了，注释详尽，组织有条理，可移植性好，可裁剪，可固化；内核属于抢占式，最多可以支持64个任务；C/OS-II完全是占先式的实时内核,是基于优先级的,即总是让就绪态中优先级最高的任务先运行,因此实时性比非占先式的内核好。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。它的绝大部分代码是用C语言编写的,可移植性强，可以在绝大多数8位、16位、32位以及64位微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)上运行。基于C/OS-II系统的DeviceNet协议栈的设计的目的是将ARM芯片接收到的数据按照Devic

20、eNet协议在主站进行打包发送，从站收到此数据后再根据DeviceNet协议进行解析并处理解析后的数据，使主站和从站可以根据DeviceNet协议进行良好的通信，完成用户的服务请求。 四、已进行的课题研究工作基础和已具备的科学研究条件（包括在哪个实验室进行试验，主要的仪器设备），对其他单位的协作要求。1、已进行的研究工作(1)学习处理器及各个功能模块的原理及特性；(2)研究国内外地下建筑照明设计规范，照明控制方法和地铁站各区域划分照明要求及相关理论；(3)学习DeviceNet总线相关知识，(4)学习C/OS-II系统移植。2、科研条件(1)实验地点：测控实验室；(2)主要设备：计算机、嵌入式

21、系统开发板、亮度传感器等。五、研究阶段的进度（起讫日期）和要求，以及预期结果。1、研究阶段的进度和要求 (1)2012.32012.4：研究国内外地下建筑照明设计规范和地铁站照明相关文献，比较各种照明控制方法的优缺点，掌握控制基本原理；熟悉DeviceNet总线的基本知识。(2)2012.52012.7：完成照明控制器的设计，通过熟悉各个硬件模块的原理与数据手册，研究各模块控制时序及驱动电路，制作电路板，实现各部分硬件的基本功能的调试；(3)2012.82012.9：完成照明控制器的软件设计，通过软件使照明控制器与节点间实现通信，并实现数据处理算法上得优化。(4)2012.10：完善系统整体设

22、计，并对系统进行调试很分析试验结果；(5)2012.112012.12：完成毕业论文的撰写工作2、预期结果在搭建硬件平台的基础上实现基于DeviceNet总线的地铁站照明系统的设计：通过研究设计的地铁车站照明控制器来调节灯光的亮度，构建了地铁站智能照明控制系统，可以根据环境情况、地铁站内实际情况控制地铁站照明灯光照度，有利于提高地铁站照明质量，增加乘客舒适度，节约能源，降低运营成本。六、所需经费预算（按研究阶段分别列出材料费、化验检测费、加工费、差旅费及其他费用）。资料与软件费 600元元器件及开发套件 1000元制板费 600元设备租赁费 300元组建模型费 500元差旅费 400元论文打印

23、费 150元论文评审及答辩费 500元其他 150元共计 4200元七、指导、辅导及试验人员名单。指导人员名单：段中兴，教授，西安建筑科技大学信息与控制工程学院，丁友军，讲师，西安建筑科技大学信息与控制工程学院。孙继武，讲师，西安建筑科技大学信息与控制工程学院，实验辅导人员名单：郑普亮，讲师，西安建筑科技大学信息与控制工程学院。实验人员名单：陈世栋，学生，西安建筑科技大学信息与控制工程学院八、参考文献（博士生参考文献总数不少于80篇，其中必须有1/3以上的外文文献。硕士生参考文献总数不少于30篇，其中必须有5篇以上的外文文献）。3马欣，张昕，王颖超.北京地下空间照明调研综述J.照明工程学报.2

24、011.64赵振江LED照明技术在南京地铁的应用J节能2009.4.5郭兆琪. 地铁车站照明浅谈J. 铁道标准设计.2000.20(1).6蒋小洛, 叶凡生. 智能照度控制系统的设计J.中国照明电器.2003.7曹占兴. 地铁车站智能照明控制系统 J.山西建筑.2011.128马小军. 智能照明控制系统M.东南大学出版社.2009.17(12).9贾景堃智能照明系统在广州地铁新线中应用的可行性研究J.几点工程技术2010.10庄金迅，刘原.城市地铁照明的照度计算J.灯与照明.2011.11曾国强.地铁车站公共区照明节能设计光源的选择J.科技信息.2011.12赵军，赵勤.地铁车站照明智能化方案

25、探讨J.铁道标准设计.2000.13杨思甜.LED照明在地铁节能工作中的应用J.山西建筑.2010.14穆广友,李晓龙,尹力明，黄海界.地铁车站照明系统能耗分析及节能对策J.城市轨道交通研究.2010.15王立刚,建天成,李晶晶.智能LED照明系统的研究与设计J.黑龙江大学自然科学学报.209.4(26).16中华人民共和国建筑照明标准GB50034-2004S中华人民共和国建设部,200417李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计M.北京：人民邮电出版社,200618赵雷. DeviceNet设备的设计与实现D.上海交通大学.200919陈皎皎基于DeviceNet协议的嵌入式软件设计

26、D上海交通大学200720刘乙奇.基于ARM的DeviceNet从站开发D.北京化工大学.2009.21李光耀.室内照明设计与工程M化学工业出版社.2007.22杜春蕾.ARM体系结构与编程.M北京：清华大学出版社.2003.23徐忠正.基于嵌入式系统的光源功率分档控制D.浙江大学.2006.24周林，殷侠.数据采集与分析技术M,西安电子科技大学出版社.200525ARM Limited.Cortex-M3 Technical Reference ManualEB/OL.www.arm. com,2005.26ARM Architecture Refrence ManualR/OL.Advan

27、ced RISC Machine Ltd. （ARM),2000.27ILI TECHNOLOGY CORP.a-Si TFT LCD Single Chip Driver 240RGBx320 Resolution and 262K color Datasheet .Version: V0.35.28CIE Technical Report88-1990Guide for the Lighting of Road Tunnels and UnderpassesR199029CIE Technical Report88-2004Guide for the Lighting of Road Tu

28、nnels and UnderpassesR200430RONG Xue-juan,NIU Ping-juan,XU Xiu-zhiController Design of Intel- ligent Lighting NetworkJSemiconductor Photonics and Technology，2009.31 Vipul Singhvi, Andreas Krause, Carlos Guestrin, James H. Garrett Jr, H. Scott Matthews. Intelligent Light Control using Sensor Networks

29、J. Special-purpose and application-based systems.2005.32R.Helms and M.BelcherLighting For Energy Efficient Luminous EnvironmentsRPrentice Hall,Englewood Cliffs,N.Jersey1991.九、导师审查意见： 导师签字： 年 月 日十、评议小组意见： 组长： 成员： 年 月 日十一、学院审查意见： 院长签字： 年 月 日17西安建筑科技大学研究生学位论文选题报告评分表学 号：1008240884 研究生姓名： 陈世栋 学科专业：系统工程 评议人： 职 称： 时 间： 年 月 日评审项目权重90100分7589分6074分60分得分(百分制)备注A论文选题的意义20%选题有很强的理论意义、实用价值，有着深刻的学术研究内涵。能取得创新理论或创新技术或能取得较大的经济效益和社会效益。有较强的理论意义、实用价值，有较深学术研究内涵。对现有理论有补充和完善。有一定的实用价值和应用前景，或能取得一定的经济效益。 选题有一定的理论意义、实用价值，有一定的学术研究内涵。对已有理论的技术的补充和发展不确定，应用前景不明朗或经济效益不明显。论文选题没有实用价值和