基于教室LED照明智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

肖春華，張洪濤

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

目前，國內(nèi)教室照明絕大部分是采用普通的白熾燈照明，人工控制方法[1]。這樣，往往造成過度照明，形成極大浪費，更無法及時反映照明設(shè)施的運行情況，并且故障率高，維修也不方便，大量增加維護(hù)量和維護(hù)費用，不利于教室的管理和走可持續(xù)發(fā)展道路。

為了解決這一矛盾，計一種基于教室LED照明智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的實現(xiàn)能充分發(fā)揮LED的節(jié)能優(yōu)勢，實現(xiàn)“按需照明”的理念，起到“人來燈亮，人走燈滅”的調(diào)光作用，達(dá)到良好的節(jié)能效果，并且具備對故障自動偵測、報警具有實時性好、可靠性強等優(yōu)點，極大地縮短了由人工定期巡查檢測的時間和勞動強度。所選用器件成本低，穩(wěn)定性好，具有提高產(chǎn)品附加值的作用。該系統(tǒng)具有很好的可維護(hù)性和拓展性，應(yīng)用前景十分看好。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該教室照明控制系統(tǒng)由在遠(yuǎn)端監(jiān)控室的主控機和分布在各個教室的從機組成，系統(tǒng)設(shè)計框架圖如圖1所示。本系統(tǒng)是基于ARM與51單片機架構(gòu)的控制系統(tǒng)，其中ARM作為主控機的主控制器，51單片機作為從機主處理器使用。ARM主控制器主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個任務(wù)的管理和調(diào)度，同時給用戶提供操作方便、簡單的人機交互界面。作為遠(yuǎn)端從機的主控制器，單片機主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)教室LED燈具的智能控制，以及執(zhí)行由監(jiān)控室主控機發(fā)過來的對LED燈具的控制命令。主控機和從機之間通過485總線進(jìn)行通信。圖1中只給出了主控機與一個從機之間的通信框架圖，事實上，由于主控機與從機之間是通過485總線通信，所以可以根據(jù)實際需求設(shè)計多個從機。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架圖Fig.1 Schematic diagram of the syatem

2 硬件設(shè)計說明

本系統(tǒng)設(shè)計中主控機中主處理器采用的是Samsung公司的S3C2440處理芯片。S3C2440是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC架構(gòu)的處理器，其體積小、低功耗、成本低、性能高，支持 Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。主頻可高可達(dá)400 MHz，運算速度快，片內(nèi)集成度高[2]。主控機集成了GSM通信模塊、LCD顯示模塊、用于在監(jiān)控室進(jìn)行語音提示的語音模塊，顯示器顯示當(dāng)前的燈具運行情況，包括熄滅狀態(tài)、智能調(diào)光狀態(tài)、是否有燈具損壞等。管理員可以通過手機利用SMS技術(shù)實現(xiàn)同GSM模塊的通信，主控機通過485總線將控制信息傳送到遠(yuǎn)端的從機，實現(xiàn)對LED燈具的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。同樣，管理員也可以在監(jiān)控室通過主控機上的鍵盤手動實現(xiàn)上述功能。

主控機對從機的控制是一對多的關(guān)系，在以夠用和經(jīng)濟(jì)的原則下，項目組采用STC12C5A60S2作為分布在各個教室以及單個教室不同區(qū)域的從機的主控芯片。STC12C5A60S2是一款具有A/D轉(zhuǎn)換功能的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位輸入型A/D轉(zhuǎn)換（250 k/s），可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。用戶可將任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。從機集成了煙霧傳感器、光敏電阻（本系統(tǒng)設(shè)計中采用2個光敏電阻，一個用于檢測燈具損壞，一個用于采集自然光強）、紅外熱釋電傳感器、LED控制電路、揚聲器和LED照明燈具。從機的工作原理是利用紅外熱釋電傳感器測量是否有人進(jìn)入教室、在教室的哪個區(qū)域，進(jìn)而對該區(qū)域的燈具進(jìn)行控制。利用光敏電阻進(jìn)行照度測量，進(jìn)而確定是否有照明需求，結(jié)合LED控制電路，利用PWM對LED燈具進(jìn)行智能調(diào)光，實現(xiàn)燈具亮度自動調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)具有開機自檢功能，強制將所有燈具點亮，并使其工作在最大亮度狀態(tài)，利用光敏電阻測出此時的LED光照強度，通過與事先經(jīng)測試得出的值相比較，確定是否有燈具損壞，如果出現(xiàn)燈具損壞的情況，通過485總線與上位機通信，在監(jiān)控室內(nèi)，LCD會提示報修，并且語音模塊也會語音提示報修信息，同時通過GSM模塊給管理員打電話和發(fā)短信報修，實現(xiàn)對燈具故障自動監(jiān)測功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對故障實時遠(yuǎn)程報修。為了最大化節(jié)能，可以根據(jù)實際的作息時間，定時強制關(guān)閉所有燈具，管理員可以在主機上修改定時關(guān)閉燈具的時間，操作靈活、方便。作為附加功能，利用傳感器，對室內(nèi)的環(huán)境指標(biāo)（如溫濕度、CO2濃度等）進(jìn)行實時監(jiān)控。

3 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 LED控制模塊設(shè)計

本設(shè)計采用恒流驅(qū)動方式，驅(qū)動芯片選擇PT4115恒流驅(qū)動芯片，適合綠色照明LED燈的驅(qū)動電路。它具有較寬的直流8～30 V輸入電壓范圍，擊穿電壓大于45 V，輸出200～1 200 mA恒定直流，可滿足驅(qū)動點亮1～7顆串聯(lián)的大功率LED，驅(qū)動恒流大小可按應(yīng)用方案設(shè)定[3]。PT4115采用頻率抖動技術(shù)有效地改EMI，采用從滿量程向下到零的PWM調(diào)光，安全可靠，調(diào)光比可達(dá)5000:1。PT4115內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當(dāng)DIM的電壓低于0.3 V時，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機狀態(tài)。PT4115的工作效率高達(dá)97%，是真正的綠色驅(qū)動IC。本項目在具體設(shè)計燈具時，每個燈具均采用7個1W/3.0V的LED串聯(lián)而成，完全滿足照明需求。具體的硬件設(shè)計原理圖如圖2所示。

圖2 LED調(diào)光控制電路Fig.2 Circuit of LED dimming control

3.2 PWM調(diào)光技術(shù)

STC12C5A60S2內(nèi)置PWM電路，可以根據(jù)需要產(chǎn)生占空比不同的PWM。在本項目設(shè)計中，為了最大限度的實現(xiàn)節(jié)能，設(shè)計了占空比分別為 0%、30%、60%、90%和 100%的PWM調(diào)光，燈具具體工作的亮度取決于教室是否有人存在、教室當(dāng)前的自然光強的強度以及當(dāng)前是否是處于允許照明時間（教室開放時間）。

軟件實現(xiàn)也比較方便，只需要實現(xiàn)兩個函數(shù)即可。分別是PWM初始化函數(shù)Init_PWM（）與調(diào)整脈沖寬度函數(shù)Set_PWM（unsigned char PWMdat0，unsigned char PWMdat1）。具體實現(xiàn)如下：

void Init_PWM（）

{

CMOD=0x00；//PCA初始化

CCON=0x00；//選擇系統(tǒng)時鐘/12為計數(shù)脈沖，則PWM的頻率f=sysclk/256/12

CCAPM0=0x42；//允許 P13作為 PWM 輸出

CH=CL=0； //PCA的16位計數(shù)器的高低八位

CCAP0H=CCAP0L=0； //占空比

PCA_PWM0=0； //占空比的第九位為0

CR=1； //啟動PCA計數(shù)

}

void Set_PWM （unsigned char PWMdat0，unsigned char PWMdat1）

{

PCA_PWM0=PWMdat0；

CCAP0H =PWMdat1；//PWMdat1為根據(jù)實際需求而設(shè)定的修改占空比的參數(shù)，為0x00

//時控制燈具處于最亮狀態(tài)，為0x30、0x60、0x90與0xff時分

//控制燈具處于30%亮度、60%亮度、90%亮度以及熄滅狀態(tài)（相對

//于最大亮度）。

}

3.3 GSM網(wǎng)絡(luò)通信模塊程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用的是SIM300無線通信模塊，采用ZIF連接器外接SIM卡，CPU通過發(fā)送AT指令與SIM300進(jìn)行通信，實現(xiàn)打電話、接收和發(fā)送短信等通信功能[4]。

模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。GSM與MCU通信是通過發(fā)送AT指令來實現(xiàn)的。用GSM串口調(diào)試助手調(diào)試GSM模塊。

GSM模塊在本項目運用中，主要有四部分程序設(shè)計，即GSM網(wǎng)絡(luò)注冊程序設(shè)計、CPU識別并處理GSM模塊接收來自管理人員的短信程序設(shè)計、GSM模塊向管理員發(fā)送短息程序設(shè)計以及GSM模塊向管理員打電話程序設(shè)計。限于篇幅，筆者主要討論GSM發(fā)送短信以及ARM處理器識別與處理來自管理員發(fā)送的控制命令短信。

3.3.1 GSM發(fā)短信程序設(shè)計

英文短信實現(xiàn)起來比較方便，筆者在此主要討論中文短息的發(fā)送。

首先需要將預(yù)接收短信的號碼進(jìn)行16進(jìn)制編碼。編碼的方法是在號碼后面加F，然后將相鄰奇偶位換位即可。

其次是對欲發(fā)送的信息內(nèi)容進(jìn)行編碼。采用 “漢字/Unicode互換工具”進(jìn)行編碼，操作方便，只需要在該軟件“雙字節(jié)漢字”欄中填入如要編碼的漢字，然后點擊 “漢字轉(zhuǎn)Unicode”，在“Unicode碼”這一欄中會自動顯示轉(zhuǎn)化后的16進(jìn)制 Unicode碼[5]。

圖3 GSM發(fā)送短信流程圖Fig.3 Flow chart of GSM send message

再次是進(jìn)行PDU格式編碼。PDU編碼格式為001100（前序）+0D（目的號碼長度）+91（中國地區(qū)接入碼）+86（國際接入碼）+目的手機號碼+0008（發(fā)送方式為8bit）+A7（信息保存時間）+信息長度+短信內(nèi)容 （Unicode）[6]。

GSM發(fā)送短信的流程圖如圖3所示。

3.3.2 ARM處理器識別并處理短信程序設(shè)計

GSM模塊在接收到AT指令與管理員發(fā)送控制命令短信時均會通過串口向ARM發(fā)送反饋信息，在程序設(shè)計時定義數(shù)組gsm_data[]接收來自GSM的反饋信息。其中，在收到短信的反饋信息中會包含"+CMGS"字符，通過調(diào)用strstr（gsm_data，"+CMTI:"）函數(shù)即可識別GSM是否接收到短信。然后向GSM發(fā)送讀取短信的AT指令A(yù)T+CMGR=1，gsm_data[]即可接收短信內(nèi)容。根據(jù)本項目的具體設(shè)計，結(jié)合實驗分析，只需要識別gsm_data[74]與gsm_data[75]中的數(shù)據(jù)即可識別來自管理員的遠(yuǎn)程控制命令，并可以向在遠(yuǎn)端的從機發(fā)送相應(yīng)的控制命令。現(xiàn)以1號房間的控制為例加以說明。gsm_data[75]中的數(shù)據(jù)如果為‘0’，則向從機發(fā)送強制點亮1號房間燈具命令。如果為‘1’，則向從機發(fā)送強制關(guān)閉1號房間燈具命令。如果為‘6’，則向從機發(fā)送智能調(diào)光命令。如果為‘8’，則向從機發(fā)送強制點亮所有房間燈具命令。如果為‘9’，則向從機發(fā)送強關(guān)閉所有房間燈具命令。ARM處理器識別并處理短信流程圖如圖4所示。

圖4 ARM處理器識別并處理短信流程圖Fig.4 Flow chart of ARM identification and processing message

5 結(jié)束語

文中針對目前國內(nèi)教室白熾燈照明、手動控制方式、過度照明的現(xiàn)狀，設(shè)計了LED教室智能照明系統(tǒng)，管理員在監(jiān)控室可以手動遠(yuǎn)程控制教室照明，同時也能夠利用SMS技術(shù)實現(xiàn)對教室的照明進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，能夠?qū)崿F(xiàn)燈具故障實時報修。設(shè)計成本低，軟件模塊化編程，修改靈活方便。該系統(tǒng)具有較高的附加值，經(jīng)過實踐證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)的成功設(shè)計能夠真正實現(xiàn)教室的綠色照明，克服傳統(tǒng)照明維修強度大、維修成本高的缺點，應(yīng)用前景好。

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