基于1-wire总线技术的体育馆智能照明控制系统研究

罗 俊 魏立明

（吉林建筑大学 电气与计算机学院 长春 130118）

引言

传统的照明方式已经难以满足现在各种竞技比赛的需求,智能照明系统出现的频率越来越高，它与其它各种网络的结合也可以更好的对系统进行控制。智能照明控制系统在体育馆运行中占据着极为重要的位置,具有以上优点,它在体育场馆中的应用越来越广泛。本文所介绍的体育馆选用了1-wire智能照明控制系统，主要阐述了1-wire智能照明控制系统设计以及在北方某大学体育馆中的应用[1]。

1 1-wire智能照明控制系统的工作原理

1.1 1-wire总线结构及特点

1-wire单总线顾名思义,只有一条数据线，用于系统中的数据交换和控制。完成三个简单的步骤，就可以实现网络主机和从机之间的数据通信，首先要做的就是将1-wire数据处理器件进行初始化处理、其次要做的就是对1-wire数据处理器件和交换数据处理器件进行认证和识别，最后则是交换数据。

主机和从机之间一直存在一种跟从的关系，从机若要执行一个操作则必须接收到相应的主机的呼叫，否则从机就无法正常启动，从前到后的一次流程就是执行初始化、ROM、命令功能命令、ROM。如果序列没有按照既定顺序发展，主机将不会被1-wire器件作出响应。

1-wire总线不仅仅是结构比较单一，方便操作，并且在价格上也比较优惠，同时还节能，维修便利。而1-wire器件具备良好的系统集成程序精密性，外接时步骤也很简易，所以可以在各个领域灵活地运用，选择它作为智能化的组成部件，是因为该部件体积较小，不需要太大的安装空间，方便人们使用。

1.2 1-wire总线通信

总线控制器对于通信而言，是必不可少的部件，因为它是通信开始的第一步。为了保证总线的同步，需要在控制器上选择一个总机位，然后能够进行信号的调节，但是选择信号的时候需要根据序列号，由特定的机位才能够完成，同时使用对半检索法[2]，找出下一个从机。其中选中从机后，未被选择的从机会被挂起，此步操作早于下次复位信号。

在总线通信中，从机参与到应用之后，对主机接收器一旦选定以后，就会形成固定的模式，这种模式不容易被更改，因此在选择的时候需要慎重考虑。1-wire总线系统不仅仅能够实现对照明亮度及时间的调节，还能够有效的控制节点，从而实现点对点。

2 体育馆照明特点及控制要求

2.1 体育馆照明特点

北方某大学体育馆主要包含了篮球馆、乒乓球馆、网球馆以及羽毛球馆这四个部分，其中篮球馆的面积最大，羽毛球馆的面积最小，四者对灯光照度的要求也不同。体育馆的设置目的是让人们有更多运动的空间，专注体育方面，必要时刻也可以作为其他用处，比如展览、集会和训练。专业比赛时，需要满足两点照明要求，一是观众观看比赛的时候，视线清晰，二是裁判员和运动员的动作不受照明的牵制。运动比赛和项目多种多样，照明系统需要根据实际情况灵活运用，保证比赛能够顺利进行。因而体育馆照明应该满足以下基本要求：

1）竞技者和裁判人员：能够清晰地查看竞技场所在区域内的各种活动，发挥出最好的表现。

2）观众：观看比赛的时候，场馆灯光舒适不刺眼，可以时刻看清场馆内的环境，确保在场馆的活动具有最大限度的安全性。

3）体育馆除了主馆以外，还有会议厅这种辅助功能区，为了辅助功能区能够起到最佳。

灯光环境，需对灯光效果进行调节控制，这样符合功能区的特定需求[3]。

2.2 体育馆照明控制要求

体育馆的照明设计除了能够实现各种体育比赛正常进行之外，还能让运动员好好训练，巩固体育能力。灯光的控制方案需要结合现场的实际情况，从而才能够满足现实需求，根据需求设置亮度和时间。因此越是复杂的照明需求，其对灯光的控制也就会越多。

现代综合性体育场馆的照明监测控制系统应该满足下述条件：

1）通过合理的管理可以节省能源及降低维护成本，操作简单，管理简易。

2）为运动员提供舒适的竞技、训练和体育活动环境，以确保运动员能够拥有较好的工作效率。

3）灯光控制的构成模式共有三种，这样才更加灵活多变，分别是单控、集控和总控。其中单控并没有要求太多基本单元作出相关的反应并且各个单元保持独立，互不干扰。集控需要的基本单元数量变多，一次开关需要将参与的基本单元连接起来。总控则是连接起所有需要的基本单元，适用于大型比赛时运动员的进场，还有大型会议对满场灯光的需求[4]。

3 基于1-wire总线技术体育馆智能照明控制系统

3.1 方案分析

本方案的场地照明控制选用分布式智能照明控制系统。如图1所示，根据对象区域的不同，需要分别设置照明控制系统，以满足各种不同的需求，比如在观众席区域需要设置缓和的灯光，应急区域需要设置醒目的灯光，乒乓球馆需要设置明亮的灯光等。功能区需要的照度不同，所以控制方式更加多元化。

图1 智能照明配电控制系统示意图

本智能照明配电控制系统为两路单独的双电源互投箱给体育馆供电。球馆使用的照明功率相当大，因此对于灯具的启动，要按照一定的分组顺序，因为在同一时间内点亮场馆所有灯具的话，供电网络会受到较大冲击，难以承担照明需要的功率，存在超负荷的可能性，对供电系统产生威胁，故针对场地电源的开启，通过2组电源控制。如果场地照明出现失电现象，出于对照明系统的保护，会重新启动，系统检测到重启情况后，按照既定程序设置实现分组顺序，将场馆内的灯具点亮。同时采用双电源模式，一个电源在使用的时候，另一个电源处于一个休息备用状态，供电于同一母线，当另一个备用电源在使用时，中性线路会被切断，因此此时的转换开关可以称之为四极开关[5,6]。

3.2 智能照明控制系统硬件设计

此次设计方案的基础是1-wire总线的可寻址功能，首先实现节能，还能进行点对点控制，脱离原有照明方案的限制，自由调节照度。研究表明，1-wire总线传输信号具有良好的可靠性和稳定性，一切遵循时序编程就可以执行程序，降低环境因素的干扰后，控制系统会更加完善[7-9]。

3.2.1 系统结构

如图2所示，整个系统结构主要包括了几个大的部分，还有若干控制件，同时还包括了检测模块器件等。

图2 基于1-wire总线的照明控制系统结构图

此次单片机型号为AT89C51，其引脚分配如图3所示。还有1-wire网络驱动器DS2482-100，可以驱动FC转1-wire协议，因此MCU满足FC通信协议要求。开关型号选择的是DS2413，主要是能够实现双通道，更加有利于进行灯回路的控制。

图3 AT89C51引脚分配图

这么做不仅大大减少了所有编程的时间，还完善了1-wire的时序，使得通信过程中的错误率尽量减少。除此之外，根据这个理论，一根1-wire总线对于挂接的从器件没有任何约束。而现实情况是1-wire器件的数量越多，系统中的电容性和负载随之增加，电缆在网络的扩展过程中发生加长，导致电容值变化增大，所以为了降低挂接的从器件的数量，需要利用主机程序进行模拟1-wire的时序与采用1-wire网络驱动。

3.3 智能照明控制系统软件设计

本系统针对多种不同的场景模式，可以选择合适的智能照明控制系统，对灯具的点亮或者熄灭进行控制，结合1-wire总线的优点，执行点对点控制，让全部灯具之间的配合更加合理。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

4 基于1-wire总线技术体育馆智能照明控制系统节能检测与分析

北方某大学体育馆含有一个200 m2的乒乓球馆，本文以该乒乓球馆为案例，对其进行了一个月的照明耗电量的估算与统计，分两种情况，一种是无1-wire总线，一种是基于1-wire总线。照明预计耗电量按每盏灯平均照明时间乘上灯具总数乘上灯具功率乘上30天计算。电灯间距8 m。节能预测的统计检验结果见表1。

通过对比表1中的实验数据,基于1－wire总线的乒乓球馆与无1－wire总线的乒乓球馆相比，一个月可节约能耗4032 kWh左右，节约用电量66 %，虽然在现实生活中，用电量是用梯度法计算的，但本文采用的估算统计方法计算出的节电率与用梯度法计算的节电率相比，应该波动不大。因此，本文设计的基于1－wire总线技术的智能照明控制系统在节能问题上是可行的。

表1 节能预估统计检测表

5 结论

本文采用1-wire总线技术对体育馆智能照明控制进行分析，主要从1-wire系统工作原理、体育馆照明控制要求、控制系统方案分析等方面进行了介绍，通过系统节能与检测分析中无1-wire总线与基于1-wire总线两种情况的对比，结果表明节约能耗4032 kWh，节约用电量66%，证明在节约能源的问题上是切实可行的。