于 偉

（廣東科技學(xué)院，廣東 東莞 523083）

0 引言

本文針對惡劣的教室照明環(huán)境，以及教室因管理不善而存在的浪費(fèi)電的現(xiàn)象，設(shè)計了一套教室燈光自適應(yīng)系統(tǒng)，通過這一系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)教室燈光的自適應(yīng)調(diào)節(jié)達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。本設(shè)計將單片機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)和自適應(yīng)設(shè)計思想結(jié)合起來，論述了各個子系統(tǒng)的組成，最后把各部分結(jié)合在一起，組成了一個智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 教室燈光自適應(yīng)系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)可以使用控制軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制教室的用電設(shè)備，整個系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)分為三層，分別是主控制中心、樓層控制中心和教室控制中心，可以理解為一個三級的網(wǎng)絡(luò)。

本設(shè)計的主要利用R485和CAN（Controller Area Network）總線分布集散地對教學(xué)樓的燈具、電視和投影機(jī)等用電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。教室與樓層直接通信的是51系列單片機(jī)，利用RS485作為通信接口。樓層與上位機(jī)的通信是通過CAN總線實現(xiàn)的。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 主控中心

主控上位機(jī)其實就是常用的PC機(jī)，在PC機(jī)上配置CAN總線適配卡，用于同CAN總線相連，實現(xiàn)與樓層控制器的通信。主控上位機(jī)有兩個主要功能，一個是接收處理數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后通過處理按要求輸出。另外一個是發(fā)送命令，主控上位機(jī)通過CAN總線把命令傳到樓層單片機(jī)芯片由樓層單片機(jī)再傳到教室單片機(jī)。通過教室控制器傳來的信息，主控中心可以很方便的了解到各個教室的情況，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。此外還可以把采集到的信息記錄到數(shù)據(jù)庫中，作為保存數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計選擇監(jiān)控軟件組態(tài)王KingView6.5和ACCESS數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，通過組態(tài)監(jiān)控畫面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及信息顯示。

3 樓層核心控制器

樓層控制器的作用就是作為中間人進(jìn)行傳數(shù)據(jù)，它不是最原始的發(fā)送者，也不是最終的接收者，而只是一個橋梁。主控中心的命令經(jīng)樓層控制器傳達(dá)到教室控制器，教室控制器的數(shù)據(jù)經(jīng)樓層控制中心傳達(dá)到主控中心。

樓層控制器與主控中心之間的通信，不僅僅是RS485與CAN總線之間的通信，還包括了兩者協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。由于51單片機(jī)沒有自帶CAN總線，所以這里必須外擴(kuò)CAN總線，CAN總線接口采用PHILIPS公司的PCA82C250總線驅(qū)動器，PCA82C250將TTL電平變換為CAN總線上的差分信號。此外還安裝了總線收發(fā)器MAX485，它的作用就是將輸出信號轉(zhuǎn)換成RS485標(biāo)準(zhǔn)的差分信號，原理圖如圖2：

圖2 RS485組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 教室核心控制器

教室控制器是整個教室的控制中心，它負(fù)責(zé)收集教室的所有信息，是最底層的控制中心,其主要功能有以下幾方面：

（1）負(fù)責(zé)紅外采集人數(shù)；

（2）通過RS485總線與樓層控制器通信；

（3）通過數(shù)碼管顯示教室內(nèi)的用電情況；

（4）可以通過按鍵現(xiàn)場控制教室內(nèi)所有的電器；

（5）負(fù)責(zé)光照強(qiáng)度的采集；

（6）負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的命令并執(zhí)行。

教室控制器通過I/O口直接與光敏傳感器和紅外傳感器等相連，收集到信息后把它提交給樓層控制器，底層收集信息的準(zhǔn)確率直接影響到結(jié)果，所以收集數(shù)據(jù)都必須要提供有效的數(shù)據(jù)。

4.1 光敏傳感器的設(shè)計

4.1.1 光敏傳感器硬件電路設(shè)計

目前市場上能夠檢測光的強(qiáng)弱的器件很多，但是這里只選擇光敏電阻作為檢測光的探測器，因為只有光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值比較接近人視覺敏感區(qū)的波長，這樣才更有利于我們更好地設(shè)計，

光敏傳感器的布置是非常重要的，因為整個教室的光照強(qiáng)度是不一樣的，要想獲得合理的光照，就得先合理地布置光敏傳感器。光敏傳感器根據(jù)教室的特點，如圖3所示，要在離窗戶最遠(yuǎn)的地方安置一個光敏傳感器。教室內(nèi)的所有日光燈和風(fēng)扇都可以自適應(yīng)和手動控制。此外，相鄰的兩個區(qū)域都要有一定的重疊，當(dāng)有人在兩個探測器中間學(xué)習(xí)時才能夠提供足夠的光照。當(dāng)有一個人在教室的時候，只有他周圍的燈才亮，如果有人進(jìn)來的話，完全可以選擇有光亮的地方坐下，這樣就既節(jié)省了電也達(dá)到了燈光自適應(yīng)的目的。當(dāng)教室內(nèi)有足夠的光線時，教室內(nèi)所有的燈都不需要亮。

圖3 教室燈光分布情況

4.1.2 光敏傳感器軟件設(shè)計

要讀取光敏傳感器的數(shù)據(jù)，就得利用軟件設(shè)計讀取傳感器信息，通過讀取信息再利用軟件處理后就可以上傳數(shù)據(jù)了。

圖4 光照采集流程圖

4.2 紅外傳感器的設(shè)計

4.2.1 紅外傳感器硬件設(shè)計

要統(tǒng)計教室學(xué)生的人數(shù)就得使用紅外傳感器，目前紅外傳感器的型號也有很多種，這里選用反射式紅外傳感器。紅外傳感器一個安裝在門內(nèi)，一個安裝在門外。

4.2.2 紅外傳感器軟件設(shè)計

紅外傳感器的工作原理是，當(dāng)有人經(jīng)過教室門的時候紅外傳感器捕捉到有人經(jīng)過，則門外紅外傳感器就會返回一個低電平，如果門內(nèi)又捕捉到有人進(jìn)入時，紅外傳感器也會返回一個低電平，經(jīng)過紅外傳感器的OUT輸出腳送入到單片機(jī)中，則教室人數(shù)就加1。同理，如果門內(nèi)當(dāng)有人經(jīng)過教室門內(nèi)的時候，門內(nèi)紅外傳感器也會返回一個低電平經(jīng)過紅外傳感器的OUT輸出腳送入單片機(jī)中，如果門外又捕捉到有人出去時也返回一個低電平，這樣人數(shù)就的減1。軟件流程如圖5所示。

圖5 紅外傳感器軟件流程圖

5 結(jié)論

本文介紹了教室燈光自適應(yīng)系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計中，以教室控制器與樓層控制器通信及樓層控制器與上位機(jī)通信為主要線索，最后提出了詳細(xì)的系統(tǒng)的設(shè)計方案，并完成了其硬件和軟件的設(shè)計。

［1］王晶旖,裴明.自適應(yīng)教室環(huán)保燈光系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].全國青少年科技創(chuàng)新大賽,2011.

［2］楊晶.CAN總線接口電路設(shè)計[J].辦公自動化雜志,2010.

［3］馮義飛.教室照明智能控制的設(shè)計與開發(fā)[D].合肥工業(yè)大學(xué),2007.

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