教室智能LED照明系統設計*

方凱磊，張 東，孫亞萍

(杭州師范大學 錢江學院 信息與機電工程分院，浙江 杭州 310036)

目前大部分學校的照明系統均存在電能浪費現象，例如，白天照度達標的時候很多教室內的燈仍然全部打開；或者教室內只有幾個人甚至沒人時，燈仍全部或部分開啟，這些現象造成了學校電力資源的巨大浪費。同時，現在學校教室內照明普遍采用的是傳統的熒光日光燈，在節能和環保方面均存在問題：附加的鎮流器功耗較大，開啟時需要輔助高壓；日光燈管內置的水銀在廢棄時無法處理，成為污染環境的公害。

近年來，LED照明作為21世紀的新型光源發展迅速，LED具有諸多優點，如保健護眼、高效節能、環保無污染、壽命長以及控制靈活。隨著技術的發展，大功率LED燈成本不斷下降，其市場會有爆炸性的發展[1]。

本文設計了一套教室綠色智能照明系統，該系統設計分為上位機和下位機，上位機采用PC機作為中央控制器，通過LabVIEW軟件實現照明系統的智能管理；下位機采用PIC16F873A作為微控制器，通過采集各個教室內各處光線強弱來自動調節教室各點LED燈光亮度；為了減少系統成本，系統采用現成的網線實現RS485通信，并利用軟件協議來實現上位機與多個教室下位機之間遠距離數據通信的準確性和可靠性。

1 系統總體設計

系統設計將以杭州師范大學錢江學院5號教學樓為研究對象，開發一套綠色智能照明系統，其系統架構如圖1所示。

圖1 綠色智能照明系統架構圖

該系統主要包括下位機系統 (微控制器電路)的設計、上位機(中央控制器)管理系統的設計以及它們之間的通信程序設計。該照明系統在每棟教學樓設立一個中央控制站(PC機)作為整個系統的智能管理監控中心，在每個教室獨立設置一個由微控制器(PIC16F873A)和多個LED驅動器以及光敏/電流傳感器組成的模塊化設計單元。每個設計單元中的微控制器通過采集本教室內各點光線強弱來調節教室各處LED日光燈的電流，使教室的照明穩定舒適，以利于節電和保護視力。而各個教室LED燈和光敏傳感器的數目則由教室本身面積大小決定。

同時，中央控制器(PC機)通過LabVIEW軟件實現照明系統的智能化管理，如：每學期初可由工作人員將本學期教室的實際上課情況輸入系統，系統經過處理后自動將該教學樓的每個教室的熄燈定時時間發送給各個下位機，以實現自動熄燈管理。另一個常用功能是，中央控制器為每個教室的LED工作情況建立工作日志并實現故障報警功能，工作人員可隨時監控每個LED的工作情況，一旦有故障，可及時進行維護修理。此外，為了減少系統成本，系統采用現有的RS485作為通信網絡，并利用軟件協議來實現上位機與多個教室下位機之間遠距離數據通信的準確性和可靠性。

2 下位機系統設計

每個教室采用模塊化設計，包括一個PIC16F873A微控制器、LED驅動器、LED燈以及光敏/電流傳感器等主要器件。該單元模塊主要實現教室內光線的采集與處理、LED的自動調光控制、手/自動熄燈控制以及與上位機之間的通信功能。模塊單元設計如圖2所示，為了減少成本，每個LED驅動器為兩路LED燈串聯供電。

圖2 模塊單元設計框架

2.1 硬件電路設計

下位機電路主要包括PIC16F873A單片機最小系統、光敏電阻采樣電路、電流采樣電路、LED驅動電路、D/A調壓電路、RS485通信接口電路等。

LED驅動電路采用英飛特電子有限公司的EUC-025S035DS作為LED低壓恒流驅動器，它包含一個高效率的電源轉換器和內部電路來實現市電調光兼容性，具有高效率、高可靠性、長壽命、輸入電壓范圍寬、低壓恒流等優點，并具有良好的線性調光功能。

D/A調壓電路采用一個PWM與一個低通濾波器結合，用作簡單廉價的D/A轉換器，實現LED的調光控制信號。電阻/電容值用計算機模擬仿真后分別選擇為10 kΩ和 4.7 μF。

RS485通信接口電路采用MAX487芯片，選擇異步工作方式，采用標準的NRZ碼，串行信息的編碼方式采用的是1位起始位、8位數據位和1位停止位，波特率值選為19.2 Kb/s。

2.2 軟件程序設計

軟件程序設計主要由主程序、A/D采樣程序、PWM程序、RS485通信程序以及中斷服務程序等組成。系統開始工作后主程序首先對單片機內部及外部的資源初始化，然后根據接收到的PC機指令，執行相應的處理。PC機向單片機發送5個命令：0x01~0xfa表示 PC機分別選擇1號~250號教室PIC控制器開始進行操作；0xff表示PC機完成對當前教室的控制，結束本次通信；0xfb表示PC機發送開燈信號，相應繼電器吸合控制LED亮；0xfd表示PC機發送滅燈信號，相應的繼電器斷開控制LED滅；0xfe表示PC機發送省電模態信號，PIC進入休眠狀態，以低功耗方式運行。

系統初始化包括對PIC單片機各個I/O端口方向功能設置、A/D工作方式設置、異步串行通信波特率和工作方式設置、PWM周期設置，以及允許A/D轉換中斷和串行接收中斷等。A/D采樣程序、PWM程序、RS485發送程序均在中斷服務程序中完成。

3 上位機管理系統設計

LabVIEW是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通信的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數，是一個功能強大且靈活的軟件[2]。考慮到本項目采用RS485通信并且要實現多路的數據采集和設備控制，因此本系統上位機智能管理軟件采用LabVIEW平臺開發，其主要的功能界面如下：

(1)上位機通過圖3所示的輸入界面獲取某教室使用情況，經軟件處理分析后得到該教室開/熄燈時刻表，并根據該時刻表來控制該教室內LED的開/關燈。

圖3 某教室課表輸入界面

(2)上位機通過RS485通信獲取各個教室的LED工作情況，實時監控各個LED燈的狀態，并記入日志。若照明系統出現故障，能及時故障報警，如圖4所示。

圖4 某教室LED燈狀態監控界面

4 RS-485多機通信網絡

要實現一棟樓宇內的智能照明控制，需要解決多個教室微控制器間遠距離通信的問題，因此本項目采用RS-485通信，并通過相應的軟件協議來保證數據通信的準確性和可靠性。

RS-485收發器采用平衡發送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。使用RS-485總線，一對雙絞線就能實現多站聯網，構成分布式系統，設備簡單、價格低廉、能進行長距離通信的優點使其得到了廣泛的應用。本文設計的多機通信結構如圖5所示。

圖5 RS485多機通信結構

本系統設計的教室智能LED照明系統具有如下特點：

(1)舒適環保：采用綠色環保的LED燈來取代傳統的日光燈，輔以自動調光技術使光線穩定舒適，有利于保護視力。

(2)高效節能：采用高效率的開關電源技術、手/自動熄燈定時控制技術，可以節約電能20%~50%。

(3)模塊化設計：樓宇內各個房間之間保持獨立，每個房間為基本模塊設計單元，具有良好的擴展性。

(4)智能控制中心：每棟樓宇都配有一個中央智能管理中心，負責管理和監控整個樓宇的照明系統，并具有良好的用戶界面。

該系統也可適用于寫字樓、工廠、商場、學校、居家等室內照明場所，具有較高的實用價值和良好的推廣應用前景。

[1]Chen Poyen.Development of an energy efficient street light driving system，sustainable energy technologies[C].ICSET 2008：761-764.

[2]孫亞萍，張慧熙.基于LABVIEW的自動熱測試系統設計[J].杭 州 師 范 大 學(自 然 科 學 版)，2009(12)：23-27.

[3]袁朝輝，馬煜.基于虛擬儀器的城市景觀照明分布式控制系統設計煜實現[J].電子技術應用，2010(5)：100-103.

[4]Microchip TechnologyInc.MPLAB? IDE用戶指南.http：//www.microchip.com 2005.