怎样设计一个基于CAN/LIN总线的教学楼智能照明系统？

1 引言

智能照明系统在智能办公大厦、现代化建筑中的研究运用较多，而对于教学楼的研究运用却很少，导致传统的照明系统目前仍被广泛使用，其基本结构是动力线根据设备控制需求进行分线，用手动开关直接控制电源，不存在控制信息流的概念。本文探讨基于CAN/LIN总线的智能照明系统，实现对整个系统的集中管理，降低系统的管理费用。采用可调光电子镇流器恒照度控制，充分利用日光，真正实现了合理节能，为学生营造舒适的学习环境;灯具软启动，延长使用寿命，减少了系统的运行费用。

CAN网络（Controller Area Network）是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作［1］。LIN 总线是一种低成本的串行通讯网络，目标是为现有汽车网络（例如CAN总线）提供辅助功能。在不需要类似CAN的高端汽车总线的带宽和多功能的场合，使用 LIN总线可以大大节省成本。在LIN实现的系统中，通常将模拟信号量用数字信号量替换，这将使总线性能得到优化。因此，CAN/LIN总线很快由最初的汽车行业扩展到工业控制领域［2］。

2 系统设计

本系统干线采用CAN总线，支线采用LIN总线。CAN总线具有很高的可靠性，高速、长距离传输，开发系统廉价，其特有的多主传送方式，可以使各个分机（节点）根据需要自主发送数据，无需主机不停地轮询，节省网络上的数据流量，传输效能高。CAN总线的上述性能都已固化在CAN总线处理芯片之中，使用极为方便［3］。LIN总线基于通用UART接口，几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件，网络采用极少的信号线（一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线），设备硬件成本低［2］。

数字化可调光电子镇流器智能照明系统实现的功能［4］：

（1）分散控制：将控制功能分散给系统每一个子控制器;

（2）全自动调光：使照明系统工作在全自动状态，系统可设定若干个状态，这些状态会按预先设定的时间相互自动切换，并将照度自动调整至最佳的工作水平。

（3）在每个控制终端面板上均可观察到本单元灯的亮灭状态;

（4）自锁：若停电，来电后所有的灯均保持熄灭状态;

（5）自动控制与人为干预相结合，现场设置开关，方便操作;

（6）可在监控室实现对整个照明系统的监测管理;

2.1 硬件设计［5］

CAN/LIN总线控制系统示意参见图1：

图1 CAN/LIN总线控制示意图

（1） 系统单元：PC机（带CAN接口卡）、系统电源、每层楼的子监控单元（51单片机8LPC902）、各教室终端控制器（51单片机8LPC902）。PC 机作为主控制器，向各个子单元发布和接受信息，对整个照明系统进行监控，并负责恒照度控制的逻辑运算。子监控单元主要负责通讯转接，在其与CAN总线接口处加CAN/LIN总线网关进行数据转换。

（2） 输入单元：单／双／四键开关、室外／室内红外线感应器、照度传感器、光电感应器、辅助输入单元，它们均作为教室控制器的的信号源，LIN总线上的终端控制器地址编号通过拨码开关设定，其主要负责信号采集和存储及响应总线要求发布信息，同时，对采集的信号进行简单的判断，以决定各输出单元的工作状态。终端控制单片机采用LIN收发器来接受发布信号，内部信号采集采用循环扫描，时实更新的方法。

（3） 输出单元：单／双／四／十二路等继电器、四／八路调光器、四路模拟输出单元。

（4） 教学楼楼道作为一个终端子单元开对待，利用红外线传感器作为输入，调用主控机最近一次照度计算值来判断，不单独安装照度传感器。

2.2 软件设计

LIN总线上单片机的控制程序框图（图2所示）：

图2 终端控制器程序框图

（1） 智能照明系统中的恒照度控制［6］

使用光电感应器测得室外阳光的垂直照度后，输入一个基于遗传算法的RI模型，估计出室内的桌面照度，再与设定值比较，来控制照明的开关，这样可以最大限度地利用自然光，达到节能的目的，也可以提供一个不受季节与外部环境影响的相对稳定的视觉环境。该模型与使用室内照度传感器相比，其优点是避免当人工照明打开情况下，判断接下来的一段时间里，自然光是否足以满足照度的要求，是否关闭人工照明的困难。一般来讲，越靠近窗，自然光照度越高，人工照明提供的照度就越低，但合成照度应维持在设定照度值，如图3所示庞大群体的活动场所—教学楼，开发人性化的。

图3 室内光照示意图

（2） 软启动

灯具采用软启动器，开灯时，灯光由暗逐渐变亮，避免亮度的突然变化刺激人眼，给人眼一个缓冲时间，保护学生眼睛，避免大电流和高温的突变对灯丝的冲击，保护灯泡，延长使用寿命。

（3） 主控机管理程序

PC机管理程序在Windows2000操作系统下，利用Visual C++开发，包括系统监控、通讯管理、数据运算、命令输出以及键盘显示等模块。系统运行时，各教室灯具的工作状态以图形的形式显示在PC机的显示器上，各层显示图象间可互相切换，形象直观，操作方便［7］。

3 结束语

该智能照明系统改善了教室的照明环境，传统照明系统中，配有传统镇流器的日光灯以100Hz的频率闪动，且启辉时的亮度不稳定，而智能照明系统中的可调光电子镇流器则工作在很高频率（40~70kHz），克服了频闪，利于保护学生视力，提高学习效率。该系统的自动调光，充分利用自然光，使室内的照度始终保持在恒定值附近，改善灯具的工作状态。光源减弱与寿命的关系如附表［6］。

附表 光源减弱与寿命的关系

充分利用天然光，节约照明用电，智能调光可以大大提高灯具使用寿命。本系统红外线监测功能，避免“长明灯”，减少了人为浪费，降低运行维护费用，带来可观的投资回报。持续发展的需要，有着十分重要的意义;同时具有巨大的生态、环境和经济效益。针对学生这个智能照明系统也显得尤为必要。