参考基于can的智能照明控制系统.docx

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参考基于can的智能照明控制系统

摘要

智能照明控制系统是自动化技术在照明控制领域的应用和推广，它不仅是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，而且迎合绿色照明的发展方向，是节约能源、缓解未来能源危机的有效措施，其发展前景非常广阔。

现场总线是连接现场设备和自动化系统的通信网络，具有全数字信号传输、控制功能分散、开放等特点。

CAN总线是现场总线之一，它具有可靠性高、价格低廉等优势，得到了广泛的应用。

本文讨论了CAN总线在照明控制中的应用，分析了基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构，设计了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统。

其主要研究内容如下:

根据照明设备的多样性、分散性、广阔性等特点，结合现场总线在控制

系统的底层，即现场设备层的优势，分析了基于CAN总线的分布式智能照明控制系统的网络结构，以及网络中的CAN节点类型、特点和功能要求等，并提出了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统方案。

采用PICI8Fxx8系列单片机设计了智能继电器、智能调光器、智能按键等CAN节点，实现了基于CAN总线的分布式智能照明控制系统的硬件试验平台。

该平台利用PICI8Fxx8系列单片机的I/0端口作为按键的输入信号采集和继电器线圈的驱动信号，通过其单片机A/D模块采集电流电压信号、ECCP模块实现SPWM调光技术、CAN模块实现各节点的通信。

完成了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验系统的软件设计。

软件以C语言程序设计方式为主，结合汇编语言程序设计的某些优势，适当地嵌入汇编指令，实现了智能继电器、调光器、按键的通信与控制功能。

关键词：

智能照明；照明控制；CAN总线；分布式控制

Abstract

Theintelligentilluminationconrtolsystemistheapplicationandpopularityofautomationtechnology.Itisnotonlytheeffectiverealiz-ablemethodsofaestheticalandcomfortablelightbutalsoaccordancewiththe"GreenIllumination"anditsdirectionofdevelopmentthatisanapp-rovalofsavingenergyandalleviatingenergycrisis,sothatithasapromisingbrilliantprospect.Field-bus,acommunicationnetworkforconn-ectingequipmentsinfieldandautomationsystem,haslotsofprominentfeaturessuchastotallydigitaltransmission,distributedcontrolfunc-tion,openingsystem.CAN-bus,whichisoneofField-buses,hasadvantagesinhighreliabilityandlowcostsoastoithasbeenusedlargelyinmanyfields.ThedissertationdiscussedtheapplicationofCAN-businillumi-nationcontrol,analyzedthesystemconstructionofthedistributedintelligentconrtolbasedonCAN-bus,designedanexperimentsystemofinte-lligentilluminationconrtolsystembasedonCAN-bus.Themaincontentof

dissertationislistedasfollowings:

Accordingtothevariousequipmentofilluminationextensivelydistributedseparately,concernedtheadvant–agesofCAN-businlayeroffieldequipments,thedissertationanalyzedthenetworkconstructionofdistributedintelligentilluminationcontrolsystembasedonCAN-busandthedifferenttypeofCANconjunctionsandtheircharacters,functions,andrequirements.Furthermore,anexperimentsystemhasbeenpresentedtorealizethedistributedintelligentilluminationcontrolsystembasedonCAN-busPICI8Fxx8seriessingle-chipswerechoosedtodesigndifferentCANconjuncitonsuchasintelligentdelay,intellige-ntadjustmentoflighting,ofPICI8Fxx8wereinchargeofgatheringinputsignalofkeys,anddrivingtheLEDandthewindingofdelays.TheA/Dmodesgatheredcurrentandvoltagesignal,theECCPmodesrealizedhowtoadjustlightingbySPWMtechnology,oftheexperimentsystem,programmingmostlywithClanguage.

Keywords：

IntelligentIllumination；IlluminationControl；CAN-Bus；DistributedControl

第1章绪论

1.1引言

在当今世界经济全球化和区域经济一体化的形式下，随着信息行业和计算机产业的高速发展、人们物质与精神生活水平的迅速提高，人们对工作和生活环境的灵活性、高效性和舒适性要求越来越高，传统的工作、居住环境受到了强有力地挑战，智能建筑，智能小区，智能家居等应运而生，楼宇自动化（BA）、通信自动化（CA）、办公自动化（OA）、家庭自动化（HA）等各种自动化系统不断出现，人们对照明的要求也越来越高，传统的照明技术受到了时代的强烈冲击，现代照明技术发生了深刻的变化，“智能照明”技术随之出现，并迅速地向前发展，以致形成照明发展的一个重要趋势。

一般的智能楼宇的BA系统可以监控:

消防自控系统

（FA5）、空调/通风、变配电/备用应急电源、电梯、给排水、锅炉、停车场、门禁、人事考勤、电力和照明系统。

可是，BA系统对照明的控制只能实现区域控制、定时时、开关、中央监控等功能;而要实现场景预设、亮度调节、软启动或软关断等难度较大，且控制方法具有一定的局限性;因此，传统的BA系统己经无法满足对照明设备控制的高标准、高要求，时代迫切地要求照明工作者、自动控制研究人员等一起协作来研究开发一种针对性极强的智能照明控制系统。

1.2课题的研究意义

1）创造有效率的照明环境、实现节约能源的功能

智能照明控制系统借助各种不同的预设置控制方式，对不同时间不同环境进行精确设置和合理管理，充分利用自然光，自动调节照度，只有在必要时才把灯点亮或者点到要求的照度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节能效果十分明显。

为了珍借利用地球有限的能源资源，保护环境，造福后人，照明节能工作不能停顿。

欧盟委员会拟订了在欧盟各国实施绿色照明计划，同时国际上一些金融机构，如全球环境基金会（GEF）通过世行和联合国开发计划署在世界各国资助了多个开发高效照明项目。

我国绿色照明工程办公室正在启动第二期“绿色照明”项目，进一步从照明产品、照明设计、照明管理、天然光利用等方面挖掘照明节能潜力，一直提倡照明自动化技术的应用与推广，以减轻未来的能源危机。

2）延长光源寿命

过高的电网电压会使灯具的寿命大大降低，因此，有效地抑制电网电压的波动可以延长光源的寿命。

智能照明控制系统可以成功地抑制电网的冲击电压和浪涌电压，使灯具不会因上述原因损坏。

同时系统采用软启动和软关断技术，避免了开启灯具时电流对灯丝的热冲击，使得灯具寿命进一步延长。

从而减少更换灯具的工作量，降低照明系统的运行费用。

通过上述方法，光源的寿命通常可延长2-4倍。

3）改善电网质量

传统的荧光灯及各种高强度气体放电灯的镇流器功率因数低、谐波含量高，对电网质量影响极大。

智能照明控制系统对荧光灯实现调光控制，可调光荧光灯电子镇流器可以提高功率因数，减少谐彼含量。

4）提高照明质量

一般照明设计师对新建的建筑物进行照明设计时，均会考虑到随着时间的推移，灯具效率和房间墙面反射率会不断衰减，因此，其初始照度均设置得较高，这种设计不仅造成建筑物使用期（或两次装饰的间隔期）的照度不一致，而且由于照度偏高造成不必要的能源浪费。

采用智能照明控制后，虽然照度还是偏高设计，但由于可以智能调光，系统将会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度，而不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响，这也是智能照明控制系统可以节约能源的原因之一。

另外，这种控制方式内所采用的电气元件也解决了频闪效应，不会使人产生不舒适、头昏脑胀、眼睛疲劳的感觉。

5）管理维护方便

智能照明控制系统对照明的控制是以模块式的自动控制为主，手动控制为辅，照明预置场景的参数以数字式存储在EPROM中，这些信息的设置和更换十分方便，使照明管理和设备维护变得更加简单。

6）有较高的经济回报率

智能照明控制和管理系统通过合理管理（在需要的时候、需要的区域把灯点亮到合适的照度）节约能源和降低运行费用（节电可达20-70%,灯具寿命延长2-4倍），某些重要区域通过调光方式和场景设置功能产生各种灯光效果，营造不同的灯光环境，给人以舒适完美的视觉享受。

用户能在降低运行费用中得到经济回报，在2-4年内回收一次性设备投资。

以上海地区为参照点，仅从节电和省灯这两项做过一个估算，得出这样一个结论:

用三至四年的时间，业主就可基本收回智能照明控制系统所增加的全部费用。

而智能照明控制系统可改善环境，提高员工工作效率以及减少维修和管理费用等，也为业主节省一笔可观的费用。

7）以人为本的科学化照明

从智能功能的发展转向更注重人的行为的智能照明。

以人的行为、视觉功效、视觉生理心理研究为基础，开发更具有科学含量的，以人为本的高效、舒适、健康的智能化照明。

进一步地满足不同个体、不同层次群体的照明需求，是使照明从满足一般人的需求到满足个体、个性需求的必不可少的技术手段。

这也应该是智能照明的发展方向。

8）创造一种崭新的高技术和高科学思想含量的照明文化艺术

智能技术与新光源及新照明技术的结合，如智能控制技术和LED照明、光纤照明、场致发光技术、电子镇流器等新照明光源和照明技术及艺术的结合，将构筑崭新的照明技术平台，其应用领域从智能家居照明到智能化的城市照明，有无限广阔的前景。

1.3国内外发展现状

照明是艺术，又是科学，它的发展依赖于科学的进步和生产技术水平的提高。

自从爱迪生的第一只钨丝灯泡问世以来，世界拥有了山电能转换而来的一片光明。

在实际使用中，由于使用场所及使用要求不同，就要求有不同的照明效果，要求进行照明控制。

所谓照明控制就是利用一定的元器件组成控制装置，控制照明系统，以满足人们的使用要求，营造不同的气氛，产生满意的效果。

同时，让使用者最有效地使用照明器，尽量减少不必要的电能浪费，使照明系统节能又具有良好的照明效果。

合理和正确地选用照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施。

其产品的智能化特点主要表现在以下几方面:

1）突破了传统的一灯一开关的思维，实现了根据场景对组合灯光进行调节和控制的功能；

2）实现了个性化设定:

可以设定“看电视”、“会客”、“晚餐”、“离家”等灯光场景，只需轻轻一按，即可实现预设灯光效果；

3）开关方式可选择电脑、遥控器、轻触式按键开关、红外线自动感应开关等方式对照明情景进行一对一、一对多、多对一的灵活控制；

4）具有系统灯具的无级亮度调节和自动延时功能，极大地丰富了照明情景的配置效果；

5）停电状态的记忆功能和开关状态的锁定功能，使系统使用更加安全可靠；

6）防盗功能:

可以设置灯或其他家用电器定时地间断地开启，营造家中有人的效果，达到自动防盗的功能。

《2004年中国照明器具制造行业研究报告》表明，在不久的将来，智能照明将取代普通照明，成为照明行业的新锐主流产品。

报告预计，到2008年，智能照明的市场容量将突破100亿元大关。

在奥运科技前景论坛上，智能照明被提上议程，国家建设部要求2010年在全国大中城市中，60%的住宅实现智能化。

在去年举行的广东古镇灯博会上和深圳国际照明展上，一种新亮相的百分百照明所生产的“傻瓜”型新一代智能家居照明系统“光控猫”吸引了记者的注意。

上海市有关部门决定，今年夏季用电高峰时，市中心主要景观道路上的路灯要安装节能的智能照明系统。

种种迹象表明，智能照明市场前景将更加乐观。

总的说来，目前智能照明还处于发育阶段，国内外很多知名企业都看好这个新锐行业，已经投入大量人力和财力来着手研发新颖的智能照明控制系统，并在住宅照明、道路照明、景观照明、体育场馆、工业厂房、公园照明等等照明场合得到不同程度的应用。

1.4全文主要内容

本文从照明控制系统的控制对象分析出发，分析了照明控制的发展历史进程与现状，比较了传统照明控制方式和目前国内外比较流行的智能照明控制方式的优缺点，提出了基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构，并设计实现了该系统的试验平台，达到了比较满意的效果。

本文的主要内容有:

1）基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构设计

以CAN总线为通讯网络，把所有的照明设备连接在智能CAN节点上，照明控制器和控制面板之间通过CAN总线相连接，组建现场总线子网。

将照明线路中的开关或控制箱作为CAN总线中的一个网络节点，然后通过现场总线这个枢纽组成网络，所有的控制信号、开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过现场总线网络进行通信，这样，网络中的每个节点都可以接受网络中其他节点的信息，非常方便的实现节点间互相监测与控制。

2）基子CAN总线的分布式智能照明控制试验平台硬件系统设计

采用美国微芯（MicrochipTechnology）公司的PIC18Fxx8系列单片机为核心控制芯片，设计了基于CAN总线的分布式智能照明控制试验平台的各CAN节点，包括智能继电器、智能调光器、智能按键等硬件系统。

介绍了SPWM调光技术，克服了传统前沿相控调光与后沿相控调光技术的弊端。

3）基于CAN总线的分布式智能照明控制试验平台软件设计

以采用C语言程序设计方式为主，结合汇编语言程序设计的某些优势，适当地嵌入汇编指令。

完成了智能继电器、调光器、按键等CAN节点的I/O模块、A/D模块、ECCP模块、CAN模块程序设计，实现了各模块的通信与控制功能等。

第2章基于CAN总线的分布式智能照明控制系统结构

2.1照明系统控制方式

照明控制可分为开关控制和调光控制，调光控制又包括连续的调光控制（被控光源的光通量可连续的变化）和不连续的调光控制（被控光源的光通量只能在若干固定的预设值之间变化）。

按发光原理划分，照明光源通常可分为热辐射光源和气体放电光源，其典型的光源分别为白炽灯和荧光灯。

热辐射光源，即利用电能使物体加热到白炽程度而发光的光源;气体放电光源，即利用气体或蒸气的放电而发光的光源。

对于热辐射光源来说，既可以实现开关控制，也可以实现调光控制，只需要调节供给光源的供电电压即可调节光通量的输出。

而对气体放电光源来说，实现调光控制并非那么简单，不能简单的控制供给光源的供电电压，这类光源都有镇流器，220V的工频电压经过整流器后再给光源供电，要实现调光控制，必须研制适应具体气体放电光源的匹配镇流器。

通过控制镇流器的输出电压的频率和电压来调节光源的光通量输出。

自爱迪生发明第一个灯泡开始，传统照明控制方式就已经产尘，这种控制方式多以手动控制为主。

常见的有以下几种:

其一，利用设置在灯具配电回路中的开关（配电回路中的保护开关或手动开关等）来控制配电回路的通断，从而实现灯具开关控制;其二，利用设置在灯具配电回路中的手动旋钮（传统调光控制柜和灯光控制台等）调节供电回路的电气参数（主要是电压、电流、频率等），从而实现灯光的明暗调节，即调光控制。

其原理如图2-1所示。

图2-1传统照明控制方式原理图

传统方式对照明控制而言，简单，有效，直观。

但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。

这种控制方式利用数字控制技术来遥控灯具的开关。

通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器（DDC）来控制配电回路中的交流接触器的分合，从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。

采用该种方式，解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，实现了照明控制的自动化但却无法实现调光控制功能。

其控制原理如图2-2所示。

图2-2自动照明控制系统

自动照明控制方式与传统照明控制方式相比，主要解决的问题是集中控制的问题，自动化程度相对提高，但由于DDC系统本身固有的技术特点，使得DDC在照明控制系统中表现出明显不足，不仅无法实现调光控制，而且也很难实现灯光场景等预设置和场景管理等功能。

DDC系统的主要优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度安排。

不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务量增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。

尽管集散控制系统（DCS）逐步取代DDC系统，而且实现了分散控制与集中管理功能，但对于底层的设备来说，仍然是传统的DDC技术，唯有把现场总线技术应用到现场设备级管理后，这个问题才能得到根本性解决。

二十一世纪是一个网络化时代，数字控制技术不断提高，网络化管理正逐渐渗透至各种传统控制系统中。

进入二十世纪后，随着人民生活水平不断提高，人们对十照明的要求也发生了很大的改变。

尤其在一些中高档的建筑中，照明不再单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和关感。

二十世纪90年代初，智能建筑己不再简单地等同于楼宇设备自动管理。

在一些建筑物中的重要场所，简单地开关控制己无法满足要求。

人们开始追求多样化的照明控制方式，使环境能体现出多种艺术效果。

智能照明控制方式使照明自动控制不再依赖于楼字设备自动管理系统，真正实现了照明控制的独立。

同时该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调光控制。

它是一个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。

它的出现和发展，使照明控制和维护管理变得更为简单，并为建筑照明提供了多种艺术效果。

智能照明控制系统被越来越广泛地接受和使用，这类产品和生产商更是层出不穷。

正确的照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施。

绿色照明是指所用照明产品高效率、长寿命、节电、节能、低噪音、低谐波、低电磁干扰。

在照明设计中，合理和正确地选用照明控制方式，不仅是经济性和实用性的良好统一，也是一个实现“绿色照明”的重要环节。

目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。

按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。

集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。

各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器（CPU）上，由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包，其结构如图2-3所示。

该系统的优点:

照明的控制功能高，故障的诊断和排除简单，存取协议简单，传输速率较高。

其缺点是:

因过分依赖中央控制器，故系统的可靠性和经济性相对较低。

虽然采用多种改进措施后，可提高中央控制器和系统的可靠性。

图2-3集中式智能照明控制系统

分布式智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个控制子网，各照明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器CPU单元，每个控制器和面板都可以直接连接在子网上。

系统将原控制中心的控制功能分散至靠近末端的控制设备，通过一种访问控制策略，决定设备与监控中心信息传输的顺序，其结构如图2-4所示。

图2-4分布式智能照明控制系统

为了组建分布式智能照明控制系统，一般是把照明控制器和面板之间通过现场总线相连接，组建现场总线子网。

把照明线路中的开关或控制箱作为现场总线中的一个网络节点，然后通过现场总线这个枢纽组成网络，所有的控制信号、开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过现场总线网络进行通信，这样，网络中的每个节点都可以接受网络中其他节点的信息，非常方便的实现节点间互相监测与控制。

这样就可以脱离于中央监控主机而独立运行，同时也解决了现场设备层的每个控制量一根线的点对点连接方式带来的种种弊端，现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对一的连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。

同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成远程设备的参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。

现场总线网络系统具有优良的系统扩展性，可以非常方便增加网络节点，如增加声音检测、照度检测、图像采集、红外线信号采集等网络节点，通过这些传感器节点采集人们活动环境的变化参数，上传至中央监控主机分析、处理、计算，做出各种控制决策，实现智能化管理，能够更好的满足智能建筑的信息集成要求。

现场总线是数字化通信网络，可以实现设备状态、故障、参数信息传送。

采用现场总线网络取代传统的控制电缆，大大地减少了电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。

现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布式控制系统，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与测控系统。

因而研究基于现场总线技术的智能测控节点成了研究测控新技术和新发展的重点。

由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。

现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革、自控化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战，因而对智能测控节点的研究既是对先进技术应用的研究，也是开发市场的需要。

2.2基于CAN总线的分布式智能照明控制系统

2.2.1CAN总线系统的组成

CAN总线是现场总线的一种，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网路，隶属于控制网络的范畴。

从原理和实现的角度，只要有两个CAN节点和他们连接成一体的通信媒体（如双绞线）就可以构成一个CAN总线系统，这两个节点之间通过通信媒体交换信息。

而由CAN总线构成的控制网络的结构一般是由控制器节点、传感器节点、执行器节点以及其他的监控节点如人机界面组成，CAN作为控制器局