基于CAN總線的教室燈光自適應控制系統的設計

于 偉

（廣東科技學院，廣東 東莞 523083）

0 引言

本文針對惡劣的教室照明環境，以及教室因管理不善而存在的浪費電的現象，設計了一套教室燈光自適應系統，通過這一系統基本可以實現教室燈光的自適應調節達到節能環保的目的。本設計將單片機控制技術、通信技術和自適應設計思想結合起來，論述了各個子系統的組成，最后把各部分結合在一起，組成了一個智能監控系統。

1 教室燈光自適應系統的組成

該系統可以使用控制軟件進行遠程控制教室的用電設備，整個系統的主要結構分為三層，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絡。

本設計的主要利用R485和CAN（Controller Area Network）總線分布集散地對教學樓的燈具、電視和投影機等用電設備進行監控。教室與樓層直接通信的是51系列單片機，利用RS485作為通信接口。樓層與上位機的通信是通過CAN總線實現的。系統的結構如圖1所示。

2 主控中心

主控上位機其實就是常用的PC機，在PC機上配置CAN總線適配卡，用于同CAN總線相連，實現與樓層控制器的通信。主控上位機有兩個主要功能，一個是接收處理數據，接收數據后通過處理按要求輸出。另外一個是發送命令，主控上位機通過CAN總線把命令傳到樓層單片機芯片由樓層單片機再傳到教室單片機。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，從而達到了節能的目的。此外還可以把采集到的信息記錄到數據庫中，作為保存數據。

圖1 系統總體結構圖

本設計選擇監控軟件組態王KingView6.5和ACCESS數據庫構成，通過組態監控畫面進行遠程控制及信息顯示。

3 樓層核心控制器

樓層控制器的作用就是作為中間人進行傳數據，它不是最原始的發送者，也不是最終的接收者，而只是一個橋梁。主控中心的命令經樓層控制器傳達到教室控制器，教室控制器的數據經樓層控制中心傳達到主控中心。

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，還包括了兩者協議之間的轉換。由于51單片機沒有自帶CAN總線，所以這里必須外擴CAN總線，CAN總線接口采用PHILIPS公司的PCA82C250總線驅動器，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器MAX485，它的作用就是將輸出信號轉換成RS485標準的差分信號，原理圖如圖2：

圖2 RS485組成的網絡結構圖

4 教室核心控制器

教室控制器是整個教室的控制中心，它負責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）負責紅外采集人數；

（2）通過RS485總線與樓層控制器通信；

（3）通過數碼管顯示教室內的用電情況；

（4）可以通過按鍵現場控制教室內所有的電器；

（5）負責光照強度的采集；

（6）負責接收上位機的命令并執行。

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，底層收集信息的準確率直接影響到結果，所以收集數據都必須要提供有效的數據。

4.1 光敏傳感器的設計

4.1.1 光敏傳感器硬件電路設計

目前市場上能夠檢測光的強弱的器件很多，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峰值比較接近人視覺敏感區的波長，這樣才更有利于我們更好地設計，

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。光敏傳感器根據教室的特點，如圖3所示，要在離窗戶最遠的地方安置一個光敏傳感器。教室內的所有日光燈和風扇都可以自適應和手動控制。此外，相鄰的兩個區域都要有一定的重疊，當有人在兩個探測器中間學習時才能夠提供足夠的光照。當有一個人在教室的時候，只有他周圍的燈才亮，如果有人進來的話，完全可以選擇有光亮的地方坐下，這樣就既節省了電也達到了燈光自適應的目的。當教室內有足夠的光線時，教室內所有的燈都不需要亮。

圖3 教室燈光分布情況

4.1.2 光敏傳感器軟件設計

要讀取光敏傳感器的數據，就得利用軟件設計讀取傳感器信息，通過讀取信息再利用軟件處理后就可以上傳數據了。

圖4 光照采集流程圖

4.2 紅外傳感器的設計

4.2.1 紅外傳感器硬件設計

要統計教室學生的人數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，一個安裝在門外。

4.2.2 紅外傳感器軟件設計

紅外傳感器的工作原理是，當有人經過教室門的時候紅外傳感器捕捉到有人經過，則門外紅外傳感器就會返回一個低電平，如果門內又捕捉到有人進入時，紅外傳感器也會返回一個低電平，經過紅外傳感器的OUT輸出腳送入到單片機中，則教室人數就加1。同理，如果門內當有人經過教室門內的時候，門內紅外傳感器也會返回一個低電平經過紅外傳感器的OUT輸出腳送入單片機中，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 結論

本文介紹了教室燈光自適應系統各個子系統的結構，設計中，以教室控制器與樓層控制器通信及樓層控制器與上位機通信為主要線索，最后提出了詳細的系統的設計方案，并完成了其硬件和軟件的設計。

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