基于CAN总线的教室灯光自适应控制系统的设计

于 伟

（广东科技学院，广东 东莞 523083）

0 引言

本文针对恶劣的教室照明环境，以及教室因管理不善而存在的浪费电的现象，设计了一套教室灯光自适应系统，通过这一系统基本可以实现教室灯光的自适应调节达到节能环保的目的。本设计将单片机控制技术、通信技术和自适应设计思想结合起来，论述了各个子系统的组成，最后把各部分结合在一起，组成了一个智能监控系统。

1 教室灯光自适应系统的组成

该系统可以使用控制软件进行远程控制教室的用电设备，整个系统的主要结构分为三层，分别是主控制中心、楼层控制中心和教室控制中心，可以理解为一个三级的网络。

本设计的主要利用R485和CAN（Controller Area Network）总线分布集散地对教学楼的灯具、电视和投影机等用电设备进行监控。教室与楼层直接通信的是51系列单片机，利用RS485作为通信接口。楼层与上位机的通信是通过CAN总线实现的。系统的结构如图1所示。

2 主控中心

主控上位机其实就是常用的PC机，在PC机上配置CAN总线适配卡，用于同CAN总线相连，实现与楼层控制器的通信。主控上位机有两个主要功能，一个是接收处理数据，接收数据后通过处理按要求输出。另外一个是发送命令，主控上位机通过CAN总线把命令传到楼层单片机芯片由楼层单片机再传到教室单片机。通过教室控制器传来的信息，主控中心可以很方便的了解到各个教室的情况，从而达到了节能的目的。此外还可以把采集到的信息记录到数据库中，作为保存数据。

图1 系统总体结构图

本设计选择监控软件组态王KingView6.5和ACCESS数据库构成，通过组态监控画面进行远程控制及信息显示。

3 楼层核心控制器

楼层控制器的作用就是作为中间人进行传数据，它不是最原始的发送者，也不是最终的接收者，而只是一个桥梁。主控中心的命令经楼层控制器传达到教室控制器，教室控制器的数据经楼层控制中心传达到主控中心。

楼层控制器与主控中心之间的通信，不仅仅是RS485与CAN总线之间的通信，还包括了两者协议之间的转换。由于51单片机没有自带CAN总线，所以这里必须外扩CAN总线，CAN总线接口采用PHILIPS公司的PCA82C250总线驱动器，PCA82C250将TTL电平变换为CAN总线上的差分信号。此外还安装了总线收发器MAX485，它的作用就是将输出信号转换成RS485标准的差分信号，原理图如图2：

图2 RS485组成的网络结构图

4 教室核心控制器

教室控制器是整个教室的控制中心，它负责收集教室的所有信息，是最底层的控制中心,其主要功能有以下几方面：

（1）负责红外采集人数；

（2）通过RS485总线与楼层控制器通信；

（3）通过数码管显示教室内的用电情况；

（4）可以通过按键现场控制教室内所有的电器；

（5）负责光照强度的采集；

（6）负责接收上位机的命令并执行。

教室控制器通过I/O口直接与光敏传感器和红外传感器等相连，收集到信息后把它提交给楼层控制器，底层收集信息的准确率直接影响到结果，所以收集数据都必须要提供有效的数据。

4.1 光敏传感器的设计

4.1.1 光敏传感器硬件电路设计

目前市场上能够检测光的强弱的器件很多，但是这里只选择光敏电阻作为检测光的探测器，因为只有光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长，这样才更有利于我们更好地设计，

光敏传感器的布置是非常重要的，因为整个教室的光照强度是不一样的，要想获得合理的光照，就得先合理地布置光敏传感器。光敏传感器根据教室的特点，如图3所示，要在离窗户最远的地方安置一个光敏传感器。教室内的所有日光灯和风扇都可以自适应和手动控制。此外，相邻的两个区域都要有一定的重叠，当有人在两个探测器中间学习时才能够提供足够的光照。当有一个人在教室的时候，只有他周围的灯才亮，如果有人进来的话，完全可以选择有光亮的地方坐下，这样就既节省了电也达到了灯光自适应的目的。当教室内有足够的光线时，教室内所有的灯都不需要亮。

图3 教室灯光分布情况

4.1.2 光敏传感器软件设计

要读取光敏传感器的数据，就得利用软件设计读取传感器信息，通过读取信息再利用软件处理后就可以上传数据了。

图4 光照采集流程图

4.2 红外传感器的设计

4.2.1 红外传感器硬件设计

要统计教室学生的人数就得使用红外传感器，目前红外传感器的型号也有很多种，这里选用反射式红外传感器。红外传感器一个安装在门内，一个安装在门外。

4.2.2 红外传感器软件设计

红外传感器的工作原理是，当有人经过教室门的时候红外传感器捕捉到有人经过，则门外红外传感器就会返回一个低电平，如果门内又捕捉到有人进入时，红外传感器也会返回一个低电平，经过红外传感器的OUT输出脚送入到单片机中，则教室人数就加1。同理，如果门内当有人经过教室门内的时候，门内红外传感器也会返回一个低电平经过红外传感器的OUT输出脚送入单片机中，如果门外又捕捉到有人出去时也返回一个低电平，这样人数就的减1。软件流程如图5所示。

图5 红外传感器软件流程图

5 结论

本文介绍了教室灯光自适应系统各个子系统的结构，设计中，以教室控制器与楼层控制器通信及楼层控制器与上位机通信为主要线索，最后提出了详细的系统的设计方案，并完成了其硬件和软件的设计。

［1］王晶旖,裴明.自适应教室环保灯光系统的设计与实现[J].全国青少年科技创新大赛,2011.

［2］杨晶.CAN总线接口电路设计[J].办公自动化杂志,2010.

［3］冯义飞.教室照明智能控制的设计与开发[D].合肥工业大学,2007.

［4］刘泽祥.现场总线技术[M].北京：机械工业出版社.