基于1-wire總線技術的體育館智能照明控制系統研究

羅 俊 魏立明

（吉林建筑大學 電氣與計算機學院 長春 130118）

引言

傳統的照明方式已經難以滿足現在各種競技比賽的需求,智能照明系統出現的頻率越來越高，它與其它各種網絡的結合也可以更好的對系統進行控制。智能照明控制系統在體育館運行中占據著極為重要的位置,具有以上優點,它在體育場館中的應用越來越廣泛。本文所介紹的體育館選用了1-wire智能照明控制系統，主要闡述了1-wire智能照明控制系統設計以及在北方某大學體育館中的應用[1]。

1 1-wire智能照明控制系統的工作原理

1.1 1-wire總線結構及特點

1-wire單總線顧名思義,只有一條數據線，用于系統中的數據交換和控制。完成三個簡單的步驟，就可以實現網絡主機和從機之間的數據通信，首先要做的就是將1-wire數據處理器件進行初始化處理、其次要做的就是對1-wire數據處理器件和交換數據處理器件進行認證和識別，最后則是交換數據。

主機和從機之間一直存在一種跟從的關系，從機若要執行一個操作則必須接收到相應的主機的呼叫，否則從機就無法正常啟動，從前到后的一次流程就是執行初始化、ROM、命令功能命令、ROM。如果序列沒有按照既定順序發展，主機將不會被1-wire器件作出響應。

1-wire總線不僅僅是結構比較單一，方便操作，并且在價格上也比較優惠，同時還節能，維修便利。而1-wire器件具備良好的系統集成程序精密性，外接時步驟也很簡易，所以可以在各個領域靈活地運用，選擇它作為智能化的組成部件，是因為該部件體積較小，不需要太大的安裝空間，方便人們使用。

1.2 1-wire總線通信

總線控制器對于通信而言，是必不可少的部件，因為它是通信開始的第一步。為了保證總線的同步，需要在控制器上選擇一個總機位，然后能夠進行信號的調節，但是選擇信號的時候需要根據序列號，由特定的機位才能夠完成，同時使用對半檢索法[2]，找出下一個從機。其中選中從機后，未被選擇的從機會被掛起，此步操作早于下次復位信號。

在總線通信中，從機參與到應用之后，對主機接收器一旦選定以后，就會形成固定的模式，這種模式不容易被更改，因此在選擇的時候需要慎重考慮。1-wire總線系統不僅僅能夠實現對照明亮度及時間的調節，還能夠有效的控制節點，從而實現點對點。

2 體育館照明特點及控制要求

2.1 體育館照明特點

北方某大學體育館主要包含了籃球館、乒乓球館、網球館以及羽毛球館這四個部分，其中籃球館的面積最大，羽毛球館的面積最小，四者對燈光照度的要求也不同。體育館的設置目的是讓人們有更多運動的空間，專注體育方面，必要時刻也可以作為其他用處，比如展覽、集會和訓練。專業比賽時，需要滿足兩點照明要求，一是觀眾觀看比賽的時候，視線清晰，二是裁判員和運動員的動作不受照明的牽制。運動比賽和項目多種多樣，照明系統需要根據實際情況靈活運用，保證比賽能夠順利進行。因而體育館照明應該滿足以下基本要求：

1）競技者和裁判人員：能夠清晰地查看競技場所在區域內的各種活動，發揮出最好的表現。

2）觀眾：觀看比賽的時候，場館燈光舒適不刺眼，可以時刻看清場館內的環境，確保在場館的活動具有最大限度的安全性。

3）體育館除了主館以外，還有會議廳這種輔助功能區，為了輔助功能區能夠起到最佳。

燈光環境，需對燈光效果進行調節控制，這樣符合功能區的特定需求[3]。

2.2 體育館照明控制要求

體育館的照明設計除了能夠實現各種體育比賽正常進行之外，還能讓運動員好好訓練，鞏固體育能力。燈光的控制方案需要結合現場的實際情況，從而才能夠滿足現實需求，根據需求設置亮度和時間。因此越是復雜的照明需求，其對燈光的控制也就會越多。

現代綜合性體育場館的照明監測控制系統應該滿足下述條件：

1）通過合理的管理可以節省能源及降低維護成本，操作簡單，管理簡易。

2）為運動員提供舒適的競技、訓練和體育活動環境，以確保運動員能夠擁有較好的工作效率。

3）燈光控制的構成模式共有三種，這樣才更加靈活多變，分別是單控、集控和總控。其中單控并沒有要求太多基本單元作出相關的反應并且各個單元保持獨立，互不干擾。集控需要的基本單元數量變多，一次開關需要將參與的基本單元連接起來。總控則是連接起所有需要的基本單元，適用于大型比賽時運動員的進場，還有大型會議對滿場燈光的需求[4]。

3 基于1-wire總線技術體育館智能照明控制系統

3.1 方案分析

本方案的場地照明控制選用分布式智能照明控制系統。如圖1所示，根據對象區域的不同，需要分別設置照明控制系統，以滿足各種不同的需求，比如在觀眾席區域需要設置緩和的燈光，應急區域需要設置醒目的燈光，乒乓球館需要設置明亮的燈光等。功能區需要的照度不同，所以控制方式更加多元化。

圖1 智能照明配電控制系統示意圖

本智能照明配電控制系統為兩路單獨的雙電源互投箱給體育館供電。球館使用的照明功率相當大，因此對于燈具的啟動，要按照一定的分組順序，因為在同一時間內點亮場館所有燈具的話，供電網絡會受到較大沖擊，難以承擔照明需要的功率，存在超負荷的可能性，對供電系統產生威脅，故針對場地電源的開啟，通過2組電源控制。如果場地照明出現失電現象，出于對照明系統的保護，會重新啟動，系統檢測到重啟情況后，按照既定程序設置實現分組順序，將場館內的燈具點亮。同時采用雙電源模式，一個電源在使用的時候，另一個電源處于一個休息備用狀態，供電于同一母線，當另一個備用電源在使用時，中性線路會被切斷，因此此時的轉換開關可以稱之為四極開關[5,6]。

3.2 智能照明控制系統硬件設計

此次設計方案的基礎是1-wire總線的可尋址功能，首先實現節能，還能進行點對點控制，脫離原有照明方案的限制，自由調節照度。研究表明，1-wire總線傳輸信號具有良好的可靠性和穩定性，一切遵循時序編程就可以執行程序，降低環境因素的干擾后，控制系統會更加完善[7-9]。

3.2.1 系統結構

如圖2所示，整個系統結構主要包括了幾個大的部分，還有若干控制件，同時還包括了檢測模塊器件等。

圖2 基于1-wire總線的照明控制系統結構圖

此次單片機型號為AT89C51，其引腳分配如圖3所示。還有1-wire網絡驅動器DS2482-100，可以驅動FC轉1-wire協議，因此MCU滿足FC通信協議要求。開關型號選擇的是DS2413，主要是能夠實現雙通道，更加有利于進行燈回路的控制。

圖3 AT89C51引腳分配圖

這么做不僅大大減少了所有編程的時間，還完善了1-wire的時序，使得通信過程中的錯誤率盡量減少。除此之外，根據這個理論，一根1-wire總線對于掛接的從器件沒有任何約束。而現實情況是1-wire器件的數量越多，系統中的電容性和負載隨之增加，電纜在網絡的擴展過程中發生加長，導致電容值變化增大，所以為了降低掛接的從器件的數量，需要利用主機程序進行模擬1-wire的時序與采用1-wire網絡驅動。

3.3 智能照明控制系統軟件設計

本系統針對多種不同的場景模式，可以選擇合適的智能照明控制系統，對燈具的點亮或者熄滅進行控制，結合1-wire總線的優點，執行點對點控制，讓全部燈具之間的配合更加合理。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 基于1-wire總線技術體育館智能照明控制系統節能檢測與分析

北方某大學體育館含有一個200 m2的乒乓球館，本文以該乒乓球館為案例，對其進行了一個月的照明耗電量的估算與統計，分兩種情況，一種是無1-wire總線，一種是基于1-wire總線。照明預計耗電量按每盞燈平均照明時間乘上燈具總數乘上燈具功率乘上30天計算。電燈間距8 m。節能預測的統計檢驗結果見表1。

通過對比表1中的實驗數據,基于1－wire總線的乒乓球館與無1－wire總線的乒乓球館相比，一個月可節約能耗4032 kWh左右，節約用電量66 %，雖然在現實生活中，用電量是用梯度法計算的，但本文采用的估算統計方法計算出的節電率與用梯度法計算的節電率相比，應該波動不大。因此，本文設計的基于1－wire總線技術的智能照明控制系統在節能問題上是可行的。

表1 節能預估統計檢測表

5 結論

本文采用1-wire總線技術對體育館智能照明控制進行分析，主要從1-wire系統工作原理、體育館照明控制要求、控制系統方案分析等方面進行了介紹，通過系統節能與檢測分析中無1-wire總線與基于1-wire總線兩種情況的對比，結果表明節約能耗4032 kWh，節約用電量66%，證明在節約能源的問題上是切實可行的。