教室照明智能控制的设计与开发

1、教室照明智能控制的设计与开发摘要本课题主要是针对高校教学楼照明管理中电能浪费的现象，设计了教学楼智能照明系统，通过智能化控制实现节电目标。教室照明的智能控制主要是从教室照明的要求，控制方式，控制手段入手来实现。针对我国目前大中专院校的教室特点，采用单片机及网络技术，设计实现了教室光照、教室温度、教室内学生人数等现场计量与远程传输，并通过上位PC机进行教学楼照明系统的监控。整个控制系统是由一个主控中心、多个分控中心和更多的单元节点组成的三层两级网络。这种控制系统的设想是能够适应一个相对集中的建筑群中有多个建筑需集散控制的情况。本课题将网络技术和照明智能控制结合起来，具体论述了系统各组成局部包括硬

2、件和软件的结构、功能及实现方法，最后建立了一个教室状态监控系统。关键词智能控制； 网络技术； RS485； CAN总线Design and Development of Intelligent Classroom Lighting ControlAbstractIn campus, lights in classrooms waste lots of power for the absence of good management. In order to cut the unnecessary power consumption, an intelligent lighting contro

3、l system is designed here. The intelligent control is achieved by using some specific control policies and methods with respect to the demand of classrooms lighting. According to the features of college classrooms, with the using of MCU and networks technology, this system can acquire the light and

4、temperature of classrooms and student numbers. The acquired information can be sent to remote computers for real-time monitoring. The overall system is a three-level two-stage network architecture which is composed of a main control node, some sub-control nodes and a large amount of unit nodes. This

5、 design is suitable to control distributed buildings in a relative closed building group. This project combines networks technology and intelligent lighting control. Components of the system are introduced in detail, including hardware and software structures, functions and how to realize it. Then a

6、 graphic classroom monitoring system is developed by using Kingview.KeywordsLighting control; Networks technology; RS485; CAN bus不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc202164050 第1章 绪论 PAGEREF _Toc202164050 h 1 HYPERLINK l _Toc202164051 课题背景 PAGER

7、EF _Toc202164051 h 1 HYPERLINK l _Toc202164052 智能照明控制系统的优越性 PAGEREF _Toc202164052 h 2 HYPERLINK l _Toc202164053 本文研究的内容 PAGEREF _Toc202164053 h 3 HYPERLINK l _Toc202164054 第2章 系统总体设计方案 PAGEREF _Toc202164054 h 5 HYPERLINK l _Toc202164055 系统的总体组成 PAGEREF _Toc202164055 h 5 HYPERLINK l _Toc202164056 教室控

8、制器 PAGEREF _Toc202164056 h 5 HYPERLINK l _Toc202164057 楼层控制器 PAGEREF _Toc202164057 h 7 HYPERLINK l _Toc202164058 主控上位机 PAGEREF _Toc202164058 h 8 HYPERLINK l _Toc202164059 通讯网络 PAGEREF _Toc202164059 h 8 HYPERLINK l _Toc202164060 系统的功能 PAGEREF _Toc202164060 h 8 HYPERLINK l _Toc202164061 系统的工作过程 PAGERE

9、F _Toc202164061 h 9 HYPERLINK l _Toc202164062 本章小结 PAGEREF _Toc202164062 h 10 HYPERLINK l _Toc202164063 第3章 教室照明智能监控子系统的设计与实现 PAGEREF _Toc202164063 h 11 HYPERLINK l _Toc202164064 教室控制器的设计 PAGEREF _Toc202164064 h 11 HYPERLINK l _Toc202164065 教室控制器的核心器件选择 PAGEREF _Toc202164065 h 11 HYPERLINK l _Toc202

10、164066 光敏传感器的设计 PAGEREF _Toc202164066 h 12 HYPERLINK l _Toc202164067 红外传感器的设计 PAGEREF _Toc202164067 h 14 HYPERLINK l _Toc202164068 按键设计 PAGEREF _Toc202164068 h 16 HYPERLINK l _Toc202164069 楼层控制器的设计 PAGEREF _Toc202164069 h 17 HYPERLINK l _Toc202164070 通讯网络的设计 PAGEREF _Toc202164070 h 20 HYPERLINK l _T

11、oc202164071 网络系统方案的设计 PAGEREF _Toc202164071 h 20 HYPERLINK l _Toc202164072 3.3.2 RS485通讯的设计 PAGEREF _Toc202164072 h 24 HYPERLINK l _Toc202164073 3.3.3 CAN通讯的设计 PAGEREF _Toc202164073 h 25 HYPERLINK l _Toc202164074 本章小结 PAGEREF _Toc202164074 h 28 HYPERLINK l _Toc202164075 第4章 上位机监控系统的设计 PAGEREF _Toc20

12、2164075 h 29 HYPERLINK l _Toc202164076 监控系统软件的功能 PAGEREF _Toc202164076 h 29 HYPERLINK l _Toc202164077 上位机对日光灯的控制 PAGEREF _Toc202164077 h 29 HYPERLINK l _Toc202164078 本章小结 PAGEREF _Toc202164078 h 31 HYPERLINK l _Toc202164079 结论 PAGEREF _Toc202164079 h 32 HYPERLINK l _Toc202164080 致谢 PAGEREF _Toc20216

13、4080 h 33 HYPERLINK l _Toc202164081 参考文献 PAGEREF _Toc202164081 h 34 HYPERLINK l _Toc202164082 附录 PAGEREF _Toc202164082 h 36绪论课题背景在传统的楼宇控制系统中，一般只包括综合布线、计算机网络、安防、消防等子系统。但近年来，随着经济的开展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具那么相比照重更多。因此，选择合理的照明方案，配置先进的控制系统，不仅表达

14、在节约能源，降低学校运行费用，提高学校的科学管理水准，而且具有极大的经济意义和社会效益。在一些欧美兴旺国家，照明系统的智能化控制已成为现代化学校不可分割的组成局部，而且应用范围越来越广。因此，很有必要对学校教室照明进行智能控制管理1。目前，高校教学楼照明用电的管理根本是处于一种粗放式的管理状态。其管理一般为以下三种模式：一是无专人管理，由学生自行控制开启，再由值日学生在中午、下午和晚自习后关闭灯具；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分层送电。对教学楼照明管理的要求是在充分保证教室的亮度的前提下，尽可能地节约电能。上述的

15、三种管理模式都不同程度地存在着缺陷，而造成电能的浪费。第一种模式的特点是可以灵活地满足不同季节、天气、楼层和朝向的亮度要求，控制简单，是常用的一种方式，但也是最为浪费电能的一种方式，因为在强光下人眼对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的存在，这是造成白天长明灯的主要原因。如果值日人员责任心不强，还会造成休息时间和夜晚的长明灯。第二种模式比上一种模式在节能方面有很大的提高，但其致命缺点是无法及时地保证各个教室的照度，因为自然光照不仅受时间、季节等因素的影响，而且还要受天气、楼层和朝向等具体因素的影响。这种模式难以满足管理要求，要么是以牺牲学生视力为代价，要么是节能效果不明

16、显。第三种模式在照度和节能两方面都大为提高，但占用的人员数量较多，而且控制的准确程度受人员的习惯所影响，难以做到科学和准确，同时容易受管理人员责任心的影响，甚至会出现整个教学楼的长明灯而造成更大的浪费。根据我们不完全统计：80%的教学楼存在着在白天光照良好的情况下，教室灯具开启和在午休时间长明灯的现象。一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但从整个学校来看的话，却是一个不小的数字。以我校教学楼为例：由于每个教学楼的教室大小不一，我们取中等教室，该教室总共有18盏日光灯，每个日光灯为40瓦，每层楼有30个教室，共有六层，那么整个教学楼教室内照明灯具负荷共计约为130KW，再加上走廊照明和线路损耗，整

17、个大学教学楼照明灯具负荷约为200KW，每天如果按长明灯2小时计算这是保守的估计，1天就浪费电能400千瓦时，以哈尔滨地区电费0.80元千瓦时计算，折合电费352元。再以学生一年在校9个月计算，一年将浪费电能10.80万度，折合电费86,400.00元。如果加上线路损耗和灯具长时间使用造成的损坏，费用还要高许多。这种粗放管理带来的电能浪费和高校后勤管理费用的增加就显而易见了。以上是对一所大学情况的简单分析，而目前全国各地高校共有1684所来源于中国高校网，每所高校不止一幢教学楼，以平均每所高校有三幢教学楼来算，高校每年的电能浪费约为54561.6万千瓦时，折合电费浪费高达30008.88万元，

18、真是“不算不知道，一算吓一跳，电能浪费量是何等的惊人我国是能源短缺大国，电力缺口也很大。虽然各地高校被拉闸限电的现象发生较少，但随着燃煤和石油价格的年年攀升，势必会带来发电本钱的增加，因此节约电能不仅有利于社会，也有利于高校本身。我国各级政府也在积极倡导市民“空调温度调高一度的行动，采取城市“关闭景观灯、“路灯交叉开闭等多项措施。北京师范大学就向全校发出“白天要不开或少开灯，开灯场所要做到人走灯灭，杜绝长明灯的号召。造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱以外，另一个更为重要的原因就是节电的硬件设备跟不上。着眼于整个学校的大局和全社会能源短缺的大环境，高校教学楼照明灯的智能化管理改革势在必行，也为我

19、们提出了紧迫的课题。照明节能主要有两种途径：一是选用高效电光源和灯具。在保证照明质量的前提下，降低照明用电量的根本措施就在于提高照明设备的效率，即提高光源与灯具的效率；另一种是在现有灯具的根底上使用智能照明控制系统，即通过优化照明系统的运行来到达节能的效果。本文着重论述后面一种。智能照明控制系统的优越性与传统的粗放式的管理状态相比，智能管理系统具有总体拥有本钱低一次费用较高，但运行维护费用低、维护方便单个部件损坏不影响系统的整体性能、功能丰富可实现灯光的任意组合、优异的可扩展性软件设置即可、便于系统集成配有通讯单元等特点。其主要优越性具体表现有以下几点：1.到达良好的节能效果，延长灯具寿命节能

20、是照明控制系统的最大优势。传统的照明工作模式，只能是白天开灯，晚上关灯。而采用了智能照明控制系统后，我们可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。2.改善工作环境，提高工作效率良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平

21、均照度值，从而提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。多种照明控制方式，可以使同一建筑物具备多种艺术效果，为建筑增色不少。现代建筑物中，照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。一栋建筑物中，室外景观照明、泛光照明可以预设为春夏秋冬四季变化，周末节假日场景，大型庆典场景；会客厅、会议室等可以预设会议、投影、会间休息等不同场景。在传统的人工控制方式下，难以实现如此多种多样的照明效果。智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实

22、现开关和调光功能。既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况出现。虽然智能照明系统最根本的功能是开关，似乎与传统的照明系统并无二致。但前者以自动控制为主、人工控制为辅，而智能照明控制系统减少灯具使用时间和管理费用的同时，能有效节约能源。根据一般办公大楼的运营经验，节能效果能到达40%以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能到达25%-30%；学校在这方面还没有得到具体的统计数据，但根据分析，效果还是令人满意的。由于我国以前的粗放型经济的增长方式己经导致资源匾乏，这种一味地靠资源和牺牲环境来换取GDP的增长的外延扩展方式己经走到尽头

23、，所以调整产业结构，在照明行业推广智能照明系统具有重要的意义。本文研究的内容本文分四章对设计内容进行了详细介绍，各章节安排如下：第一章绪论，简要介绍了传统教学楼照明的管理情况以及智能照明控制系统的优越性，提出了研究课题，介绍了论文的章节安排。第二章系统总体设计方案，本章首先提出该控制系统的总体组成，简要概述系统网络结构及各个控制单元，然后对整个系统要实现的功能进行阐述，最后介绍了整个控制系统的工作过程。第三章教室照明智能监控子系统的设计与实现，本章主要是对系统中教室控制器、楼层控制器、通讯网络进行设计。在教室控制器中重点研究了光敏传感器、红外传感器在楼层控制器中主要设计实现了其中转功能在网络模

24、块中提出了设计方案，CAN总线技术自身的特点，设计出RS485和CAN两级网络的通讯。第四章上位机监控系统的设计，本章主要是利用监控软件设计实现教室用电设备状态的检测、教室学生人数、光照的采集等功能。系统总体设计方案系统的总体组成本系统采用基于RS485和CAN总线的分布式集散控制系统对学校教学楼用电设备进行控制和管理。整个系统采用三级两层网络构成，即教室控制级、楼层控制级、主控上位机级以及CAN网络、RS485网络。教室控制级和楼层控制级采用的是以PIC系列单片机为中央处理器的控制系统。主控上位机级那么使用的是北京亚控公司提供的组态王，在组态王提供的编程环境下编制了上位机监控程序，可以实现对

25、教室内的教室控制器所采集到的信息的接收、处理，并且利用组态王提供的全中文、图形化、动态化的监控界面，从而可以很轻松的实现教室用电状况、学生人数等信息的实时监控和统计。对于网络局部，在教室同一楼层采用RS485标准构建的数据采集网络，而在楼层与监控中心主控上位机之间采用CAN网络进行通讯，系统整体组成框图如图2-1所示。图2-1 系统组成框图下面具体阐述系统各控制单元和网络结构。教室控制器每个教室安装的智能终端是以单片机PIC18F458为核心的数据采集和处理装置，它直接与各种I/O设备如温度传感器、光敏传感器、继电器、红外传感器、无接触IC卡、蜂鸣器等相连，通过这些I/O接口，MCU实时采集它

26、们发送的数据，经计算并保存在内部存储器内，根据内部总线管理，上传教室控制器。每个教室控制器都是由电源模块、通讯模块和假设干个智能终端模块组成。智能终端模块采用了积木式的组合结构，可以根据不同的需要选用不同的智能终端模块进行组合，其组成框图如图2-2所示。同时为了便于现场对用电设备进行开关操作，在每个教室安装了一个控制面板，其布局如下图2。图2-2 教室控制器的组成框图图2-3 教室控制器面板显示图由2-3图知，安装在教室内的教室控制器控制面板由数码管和开关按钮组成。其中数码管分别显示用电设备的开或关0为关闭日光灯和/或风扇，1为开启日光灯和/或风扇、开启或关闭的日光灯组例如开启或关闭第一组日光

27、灯那么显示1，开启或关闭第二组日光灯那么显示2，依次类推、开启或关闭的风扇组；而按键那么执行翻开或关闭用电设备操作。此外，为方便教室使用网络功能还可以预制网络接口，现在大多采用光纤连接的局域网，在教室的教室控制器系统中加装网线的接口，教室通过管理中心的效劳器可以直接连接入互联网，为教室提供方便的网络信息效劳。楼层控制器楼层控制器是主控上位机和教室控制器的中继与桥梁，同时具有CAN接口和RS485接口。它根据主控上位机的指令来读取各个教室控制器中所采集的教室的信息，并通过网络将上位机发送的指令传给教室控制器，以控制教室内用电设备的开或关。楼层控制器还具有对教室控制器中所采集到的信息做根本显示的功

28、能，例如显示教室状态空或满，以及控制整个楼层用电设备的开关，其组成框图如图2-4所示。此外，为了学生方便、快捷的了解各个教室的状况，我们在每一层楼的楼梯口安装了一个显示板来显示楼层中各个教室的根本信息，其显示板的布局如图2-5所示。图2-4 楼层控制器的组成框图由图2-4可知，楼层控制器和教室控制器类似，也是由电源模块、通讯模块和I/O模块组成。输入设备中的按键可以开启或关闭整层楼用电设备。输出设备中的LED指示灯有两种功能：一种LED作为是否发生通讯在楼层控制器显示板中没有显示出来的指示，另一种那么作为教室用电设备状态指示是否有用电设备在使用电、教室状态指示空或满，其中教室满那么表示该教室在

29、上课或自习的人数已达教室的可容纳人数的一半。通讯局部那么同时具有CAN通讯接口和RS485通讯接口，CAN通讯接口是连接楼层控制器与主控上位机之间的通讯，RS485通讯接口是连接楼层控制器与教室控制器之间的通讯。图2-5 楼层控制器显示板图主控上位机主控上位机采用常用的PC机，在PC机上配置CAN总线适配卡，用于同CAN总线相连，实现与楼层控制器的通讯。主控上位机是整个智能教室控制系统的控制中心，其功能是将单片机子站及CAN子站送来的信号进行处理，按要求控制输出单元，可自动或手动对各控制装置发出指令，并可按要求进行各类参数画面显示。其管理软件由监控软件组态王KingView6.5和ACCESS

30、数据库构成，通过组态监控画面进行远程控制及信息显示。根据教室控制器传来的信息，上位机可以方便、快捷的了解各个被控教室的用电状况、学生人数等，然后根据这些信息及时翻开或关闭用电设备，从而到达了节能的目的。此外，通过组态王的事件记录功能，把所采集到的信息通过ODBC记录到ACCESS数据库中，为以后问题的分析提供了方面。通讯网络整个系统的网络是智能教室的重要组成局部，所有的教室控制器和楼层控制器都需要构筑在网络及通信的平台上。本系统利用计算机的串行口和单片机的串行通讯的功能，采用RS485总线网络和CAN总线网络分别实现单片机与单片机，计算机与单片机之间的通讯。系统的功能智能教室监控系统的设计的目

31、的就是为了实现教室用电设备的监控以及教室学生人数的采集，归根到底就是实现节电的目的。在设计过程中，将整个系统分为了上述的四个局部，系统可以实现的功能那么可以概括为以下几个方面：系统的前端机教室控制器具有自动循环采集和命令采集两种模式。自动定时采集就是前端机教室控制器可以根据内部时钟设置对教室进行循环采集数据。命令采集模式是指当教室管理人员发出数据采集命令后，先由CAN通信信道将信息传送到楼层控制器，楼层控制器经RS485通信信道传送到教室控制器，最后根据需要采集相应的数据。系统采用了原有的教室控制系统，本身就具有相当的自动化程度，在此根底上的教室远程监控系统可以根据采集到的数据对教室实施相应的

32、命令，使得教室的用电设备能够及时地开或关。我们采用组态软件进行二次开发，实现接收各教室控制器的信号，并进行记录和数据统计。我们提供了全中文、图形化、动态的监控界面，在计算机屏幕上分别显示出假设干幅画面，将教室用电情况、学生人数等信息在相应画面上显示出来。系统的工作过程本系统的工作过程包括两个局部，一局部为教室控制器对各个参数的采集，并进行初步处理。此局部主要是采集传感器信号，开关量信号并经由单片机收集处理，送至存储器。另一局部是主控上位机数据的采集、处理。主控上位机的信息采集是由组态监控软件组态王采用DDE方式从CAN适配卡中获取楼层控制器传来的数据，而楼层控制器的数据是通过RS485通讯从教

33、室控制器获取教室的信息。反之，主控上位机对教室用电设备发出命令时，那么是主控上位机通过CAN总线把命令传给楼层控制器，然后再由楼层控制器经RS485通讯把主控上位机的命令传至教室控制器，教室控制器根据上位机的命令做出相应的动作。最后通过组态王自身的图形界面制作功能和动态连接特性，对系统运行情况及各性能参数进行处理，生动的表现于上位机界面。本系统的工作简图如2-6所示。图2-6 系统的工作简图本章小结本系统主要针对学校教室采用计算机进行监控所做的一些工作，主要是教室用电设备管理的自动化系统。可以做到教室用电设备的远程监控，教室学生人数的统计，教室使用状态的监控，各种查询以及自动报警等自动化功能。

34、设计的目标是实现照明控制系统的智能化、科学管理和节省能源等。教室照明智能监控子系统的设计与实现教室控制器的设计教室控制器是教室照明智能控制系统中最重要的局部之一，它负责采集所需的信号并存储于存储器中，通过通讯网络将用户的信息提供应主控上位机，是直接与教室联系的局部，是后续数据处理的根本条件。信号采集的准确度，采样的时间，都必须严格保证才能给主控上位机提供有效的数据，要做到计量的准确可靠才能保证整个系统的正常运行，这是发挥系统最大功能的重要因素。本系统中教室控制器得主要功能有：1.具有模拟量采集功能，可以采集0-5V的模拟量；2.数字温度传感器采集教室温度；3.热释电红外传感器采集教室内学生人数

35、；4.无接触IC卡采集学生信息；5.数码管输出指示教室内用电设备的开关组；6.通过RS485总线完成与楼层控制器的通讯；7.可以接收上位机的命令并实现相应的控制输出；8.可以通过按键现场控制教室用电设备的开关。教室控制器的核心器件选择目前市场上流行的单片机型号繁多，如何选择一款适宜的单片机对于系统的设计来说非常重要。我们选用PIC18F458单片机2，主要是因为它具有如下优点：1.具有高性能RISC CPU高达2MB的程序存储器，高达4KB的数据存储器，高达10 MIPS的执行速度，DC40MHz的时钟输入以及410MHz带PLL锁相环有源晶振/时钟输入；16位宽指令，8位宽数据通道；带优先级

36、的中断；88单周期硬件乘法器。2.外围功能模块特性最大拉电流/灌电流可达25mA，可以直接驱动LED， 3个外部中断引脚。定时器TMRO带8位可编程前分频器8位或16位定时器/计数器。定时器TMR 1是16位定时器/计数器。定时器TMR2带有8位周期存放器的8位定时器/计数器作为PWM的时基。定时器TMR3为16位定时器/计数器。2种震荡时钟选择：定时器TMR 1、定时器TMR3。有两种工作方式的主同步串行通信MSSP ：3线SPI主控方式，I2C主控/从动方式。可寻址的USART模块：支持中断地址位。高级的模/数转换特性：10位，高达8个通道的模/数转换模块休眠时可以转换，8个输入通道可用，

37、模拟比拟模块，CAN总线模块特性，特殊的单片机特性：上电复位，上电延时定时器和振荡器起振定时器，带有片内RC振荡器的监视定时器WDT ，可选择不同的振荡器工作方式，通过2个引脚可进行在线串行编程。5.5V，工业级和扩展级温度范围，低功耗。4.监视定时器WDTPIC18F458的WDT计时脉冲由片内单独的RC振荡器产生，因此它不需要任何外部器件。WDT的RC振荡器与接在OSCI引脚上的RC振荡器无关，即使在OSC1和OSC2引脚上的时钟停止，监视定时器WDT仍然计时运行。在正常工作期间，一次WDT定时时间到将产生一次器件复位。通过配置系统的配置存放器可以激活或关闭监视定时器。可以通过软件来完成这

38、个功能3。光敏传感器的设计教室光照强度是控制教室内用电设备开或关的重要因素，也是节约电能的手段之一，下面将研究设计光敏传感器。光电探测器在教室中的布局考虑到教室内距离窗户远近不同，接受的日光强度不同的特点，为防止光电探测器受光面小的缺点，应在教室周围进行合理地分布光电探测器，用于探测自然光的强弱。根据我校主楼教学楼教室中日光灯的分布情况如图3-1所示，那么光电探测器在教室中的布局那么根据此分布情况进行安置，即在每个区域的远离窗户最远的地方安放一个光电探测器。每个区域的日光灯那么由安置在教室内的按键或远端的主控上位机来控制。此外，相邻两个区域装置的探测范围都有一定的重叠以确保当有人在两个区域中间

39、学习时能够得到足够的光强。这样，当外界环境中的自然光能满足所需的光照度时，不管教室是否有人，教室灯都不亮，控制教室日光灯的自动熄灭。当教室要作特殊使用时如多媒体教学，那么拉上窗帘，关闭所有的灯具或点亮少许微弱的灯具。当教室光强不够，教室中有一个同学单独处于某一个区域中时，只有他周围的日光灯亮；当再有人来这个教室时他们完全可以选择亮灯的地方坐，假设选择其他区域情况类似。这样就完成了教室照明智能控制，起到了节约电能的作用。图3-2那么表达了考虑因教室的走向与太阳光的夹角不同而造成亮暗区位置不同对光电探测装置布局造成的影响。图3-1 教室内日光灯的布局图 图3-2 教室采光情况硬件设计通过对光电管、

40、光耦合器、光敏电阻等光电探测器的各种性能进行比拟，发现光敏电阻的光谱响应峰值比拟接近人视觉敏感区的波长：其次是当光照强度减弱时，光敏电阻的响应时间相对增加，这对本系统在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定十分重要，因此本系统选用光敏电阻来测量教室的光照强度，其电路原理如图3-3所示。图中，R0为光敏电阻，其阻值随着周围的光线变亮而下降；R为负载电阻；VCC为+ 5V电压；V为光敏电阻两端电压；C为去耦电容。图3-3 光照测量电路原理图从图3-3中可知：I=VCC/R0+R,V=R0VCC/R+R01.当RR0时，I=VCC/R。即负载电流与光敏电阻无关，近似为常数。此时为恒流偏置。2.当RR0

41、时，V=0。因此光敏电阻电压V近似等于VCC。此时为恒压偏置。3.当R=R0时，表示负载匹配，探测器输出功率最大。此时的工作状态为恒功率偏置。此外，光敏电阻对温度变化较为敏感，电路中的电阻可以采用与温变系数相近的光敏电阻，以防止工作点漂移，保证输出的稳定性4。.3软件设计单片机光敏传感器局部软件设计的主要任务是对光敏传感器的输出数据进行数据采集、数据处理。其程序流程图如图3-4所示。图3-4光照采样流程图红外传感器的设计硬件设计采用红外传感器统计教室内人数，具有本钱低、设计方便的特点。红外传感器不仅仅是教室内人数的统计，而且是由其统计的人数决定教室内亮灯数量的根本依据，以实现节约电能的目的。本

42、系统使用反射式红外传感器分别安装在教室门内外两面来完成对人体的探测，实现对教室学生人数的统计。该红外接收感器将红外接收管与放大电路集成在一体封装在一个金属屏蔽盒里，具有体积小大小与一只中功率三极管相当、密封性好、灵敏度和抗干扰能力强、耐低温-30及使用方便等特点，主要用来探测人体发射出的红外线能量。它仅有三条管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在5V左右。只要给它接上电源即是一个完整的红外接收放大器，其原理图如图3-5所示。图3-5 红外发送接收原理图红外软件设计采用红外传感器测量教室内的学生人数，其工作原理为当有人先经过教室门外侧的红外接收和发射装置时，接收管接收不到发射

43、信号，返回一个低电平，经RC0口送入微型控制器；随后，当该学生进入教室后，放置在教室门内侧的红外接收和发射装置也会返回一个低电平，送入微型控制器的RC1口，此时计数器加1，说明有人进入教室。同理，当学生先经过教室门内侧的红外发送和接收装置，再经过教室门外侧的红外发送和接收装置时，计数器减1，说明教室内有人离开教室，从而计量教室学生人数的情况，软件流程图如图3-6所示。而后根据统计的教室内学生人数进行相关的日光灯开关控制5。图3-6学生人数统计流程图按键设计对用电设备的控制方式有两种：一是采用现场按键进行开或关；二是利用上位机进行远程开或关。为了节省单片机的I/O端口，每个按键都采用一键多功能的

44、方式对用电设备进行开关控制，系统中采用三个独立的按键，即日光灯开关组按键、风扇开关组按键、开关指示按键来开启或关闭教室用电设备，如图3-7所示。图中按键K1为整个教室的用电开关按键，它与按键K2表示将要翻开或关闭的日光灯组和K3表示将要翻开或关闭的风扇组联合使用来开启或关闭教室内的用电设备。例如，如果需要开启教室内的第一组和第二组日光灯，我们首先按下K1按键，然后按一次K2按键，此时教室内的第一组日光灯就翻开了，紧接着再按一次K2按键，教室内得第二组日光灯也翻开了，从而完成了教室内第一组和第二组日光灯的开启。同理，利用K3与K1按键合可以开启或关闭教室内的风扇。图中并联在按键两端的电容用于按键

45、的消抖。图3-7按键原理图在教室控制器中还有对教室温度采集，学生信息的采集无接触IC卡采集学生的根本信息等。采集教室温度可实现当室内温度较高时及时开启教室风扇，当室内温度较低时及时向教室送暖；而学生信息的采集那么通过无接触IC卡，学生只需在上课前轻松一刷卡并经由相应的数据处理就可以完成点名及有关的操作，从而简化对学生考勤的程序，节约教师点名的时间。楼层控制器的设计楼层控制器是主控上位机和教室控制器的中继与桥梁，它根据主控上位机的指令来读取各个教室控制器中所采集的信息，并同上位机通讯，将上位机发送的指令传给教室控制器，控制用电设备的动作。所实现的主要功能是将所收集到的教室控制器的信息在楼层控制器

46、中短暂的存储，传输给主控上位机；主控上位机的指令经由楼层控制器送给教室控制器，实现数据的传输，并通过LED显示各教室的用电状况及教室的状态等信息。楼层控制器不仅仅是RS485总线到CAN总线信号电平之间的转化，而且也是两边数据传输协议、传输格式以及传输内容的转化。教室控制器的中央处理器采用带有CAN控制器的PIC18F458单片机，其CAN总线接口采用PHILIPS公司的PCA82C250总线驱动器，PCA82C250将PIC18F458的CAN控制器输出引脚的TTL电平变换为CAN总线上的差分信号。而在RS485总线侧，那么安装了RS485总线的收发器MAX485 ，MAX485将输出信号转

47、换成RS485标准的差分信号进行远距离的传输，其原理图见图3-8所示。电路设计过程中，注意应分别给CAN总线和RS485总线连接终端电阻电阻值一般为120 ，实现网络连线的阻抗匹配，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。对于RS485总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态容易受干扰信号的影响。因此，将RS485总线上差分信号的正端A和VCC电源间接一个450K的电阻；正端A和负端B间接一个120的电阻；负端B和地间接一个450K的电阻，形成一个电阻网络。当RS485总线上没有信号传输时，正端A的电平大约为3.2V，负端B的电平大约为1.6V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起

48、始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力6。图3-8 PIC18F458与CAN和RS485总线的接口原理图由于楼层控制器与教室控制器采用RS485通讯方式，而与主控上位机采用CAN总线的通信方式，因此楼层控制器类似于CAN总线与RS485总线的转换网桥，实现不同信号传输模式设备之间的连接以及不同总线之间的数据连接和通信格式等的转换。根据通信对时间的要求以及楼层控制器的微处理器PIC18F458的内部缓存容量有限，所以在进行软件设计时要求做到存储转发的时间尽量短。为了到达以上要求，总线数据的接收均采用中断方式而在主监控程序中实现数据的发送，内存采用FIFO机制管理。由于RS485总线与CAN总线是

49、两种不同的总线形式。相互进行数据通讯时，需要进行协议转换。CAN总线标准具有物理层和数据链路层协议，以帧为单位进行数据通信，而且每帧均携带相应的ID标志符，而RS485本质上是一个物理标准，以字节为单位进行数据通信，不带有任何其它附属信息，其格式完全由用户自己定义。所以在考虑设计RS485帧格式时，应该参考CAN总线的帧格式。具体设计RS485帧格式时可以参考以下格式：地址1CAN帧格式1CAN网ID4数据帧0-8校验1第一个字段为地址字段，占用一个字节，作为RS485子网的多机通信地址用。在RS485网络中，只能采用一主多从的方式进行通信，网络中必须有一个主控节点，在此网桥为主控节点，通过查

50、询点名的方式进行通信。第二到第四字段与CAN报文中的同名字段定义相同，实际上这三个字段是一个完整的CAN报文。网桥在进行转发时只需要将这三个字段构成的CAN报文发送即可，使网桥中的协议转换更为容易实现。最后的校验字段可用于网桥接收报文时的校验，以保证数据的可靠。软件设计流程见图3-9。图3-9楼层控制器主监控程序流程图主监控程序根据接收缓冲区中是否有报文，决定是否发送以及发送给谁。如接收CAN子网数据缓冲区有报文向RS485子网转发，如接收RS485子网数据缓冲区有报文那么向CAN子网转发。由于CAN报文和自定义的RS485报文的帧格式不同，在转发报文时，要进行帧格式的转换。在转发报文后，要对

51、相应的FIFO缓冲区进行参数调整。另外在主监控程序中，如上位机对楼层控制器有状态请求或楼层控制器本身有故障，楼层控制器可向上位机返回本机状态。该功能便于系统的故障定位，主控上位机通过运行远程教室管理软件可以提前发现系统故障，增强了系统的可维护性。通讯网络的设计通讯网络构架及其实现是智能教室控制系统得重要组成局部之一。它把教室控制器、楼层控制器以及主控上位机有机地联系起来。网络技术的选用对整个系统网络建设的成功与否起着决定性的作用。适宜的网络不但能保证整个网络的高性能，还能保证整个网络的先进性及设备端口、网络结构和网络协议的扩展性，同时还具有较优的性能价格比。网络系统方案的设计智能教室网络主要由

52、基于RS232C总线通讯、基于RS485总线通讯和基于CAN总线的通讯几种方式。下面将介绍和比拟RS232C，RS485及CAN总线在教室网络中的应用。RS232C串行总线接口RS232C是美国电子工业协会EIAElectronic Industry Association与BELL等公司一起于1962年制定并于1969年最后一次修订而成的一种串行总线的物理接口标准，此标准规定了串行传输中，主控模板与附属模块间的连接电缆和机械特性、电气特性、信号功能及传送过程，两端都必须遵循的共同约定7。RS232C的标准总线为25线，不过在实际应用中RS232C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终

53、端通讯中一般只使用3到9条引线。RS232C中常用的信号线只有9条。计算机一般使用的都是9芯插座作为异步通信的连接器。RS232C标准功能如图3-10所示。图3-10 RS232C标准通讯系统的结构由图3-10可见，RS232C标准有两个地。一个是保护地PG，它直接连到系统的屏蔽罩上，如果保护地连在一起是平安的场合，那么两个设备的保护地才能连到一起。另一个是信号地GND，对所有其他信号提供一个公共参考点。由于信号地不一定与保护地绝缘，因此信号地必须连接起来，这是RS232C存在的一个固有潜在接地回路问题。此外，由于RS232C接口标准的发送器和接收器之间有公共信号地，不可能使用两端信号，从而导

54、致共模噪声会固有的祸合到信号传输系统中。传输距离越长，干扰就越严重。因此，为了可靠的传输信息，不得不增大电压摆幅。可见，RS232C标准对短距离通讯是很有用的，但对长距离通讯不可靠，并会带来严重的后果。RS232C的电气特性标准如下：1.带3k7k时驱动器的输出电平：逻辑0为+5V+15V，逻辑1为-5V-15V2.不带负载时驱动器输出电平：-2.5V25V3.驱动器通断时的输出阻抗：3004.接收器最大承受士25V的信号电平5.接收器输入阻抗：3k7k6.数据传送速率局限在20Kbs一次7.传送距离局限在15m以内。由此可见，RS232C是为数据设备以相对较慢的数据速率20kbs在较短的距离

55、内典型值为 15m进行单端数据传输定制的。目前在教室照明智能控制系统网络的应用趋于淘汰。RS485标准在智能教室底层网络中，为了减少系统由于布线带来的本钱，采用基于电力线载波布线，这样信号和强电在同一根线上传输，传输过程中不可防止地存在强电场的干扰，信号的可靠性受到影响，而且随着传输距离的增大，信号的衰减较快，我们己知RS232C总线存在可靠性、速率和传输距离等因素，所以一般不予采纳RS232C总线。基于RS485的教室控制系统是较为理想的一种远程控制系统，该总线网络技术成熟，结构简单，可靠性较高，良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点，它采用主从式的通信方式，任何时候只允许一个节点

56、向网络发送数据，所以RS485采用的主从结构命令型通信方式可以防止数据通讯故障，数据通信时必须由主节点接收到管理主机的命令，然后由主节点向各个从节点传达命令，从节点的数据依次送至主节点，最后再由主节点将各从节点的数据发送至管理主机8。但是，RS485只规定了平衡驱动器和接收器的电特性而没有规定接插件传输电缆和应用层通信协议，使用时存在总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护本钱高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点，同时数据的容错没有考虑，其容错和应用层的协议完全仰赖软件的支持，这就增加了系统通讯软件的负担。RS485总线多采用单主机的工作方式

57、，假设令其工作在多主方式，那么其通讯的可靠性与通讯网络的负荷量成反比。特别是当系统节点工作在多种通讯模式下时，通讯的失误率与重发率将随着网络负荷量的增长而成倍增长，如果主节点出现故障，那么整个系统会陷入瘫痪状态。此外，RS485收发器件中收发缓冲区比拟小，这也不利于由它构成的网络长期处于长子串或连续的收发状态。不过，由于RS485具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离较远和宽共模范围的通信平台，因此在小系统网络中有着广泛的应用。CAN总线基于RS232C和RS485总线技术的缺陷，采用现场总线技术构成数字化、开放式、多点通讯的底层网络成为现代教室智能化系统的一种趋势。而面对种类繁多的现

58、场总线，如何选择一种技术先进，有开展前途，将来不会被迅速淘汰，同时也能到达我们的设计要求以及价格适中，经过参阅大量国内外资料，发现CAN总线拥有很多其他总线所没有的特点，我们最后决定采用CAN总线技术来实现楼层控制器与主控上位机的网络模型。CAN属于总线式串行通讯网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线突出的优越性主要表现为：CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点，可方便地构成多机备份系统CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总

59、线发送信息时，优先级较低的节点会主动地停止发送数据，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而有效地防止了总线冲突，使信息和时间均无损失；CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点，一点对多点及全局播送等几种方式传送接收数据；CAN总线数据链路层协议的平等式通信方式，即使主机出现故障，系统其余局部仍然可运行；CAN总线较为宽松的电气特性，使灵活的配置多种介质的物理层成为可能，也使CAN总线在这方面的应用范围更加广泛。此外，开发系统廉价，其单元节点百元的本钱，以及其相对较低的技术层次和技术难度，决定了CAN总线必定会有广阔的开展空间和开展前景9。CAN和RS485针对它们各自的特点

60、，我们采用符合国际标准ISO11898的CAN总线技术和目前仪表、自动化装置常用的RS485总线构成双层网络结构，这种网络结构有效地解决了系统的建设本钱高、数据管理困难、可靠性不高以及扩展性能差等问题。由于教室采集器的工作环境不算恶劣，所以本系统下层网络采用RS485总线，它具有结构简单、本钱低廉、对布线要求不高的特点：而且RS485总线在9600bps下最远传输距离可以到达，完全能够完成一层教学楼中教室控制器与楼层控制器远程通讯的距离需求；再加上它们之间的通讯数据量小，数据结构简单，所以RS485总线能够可靠地完成下层数据采集的需要。上层网络采用兼容性能好、可靠性能高、数据传输速度快、传输距