景觀照明的智能測(cè)控系統(tǒng)

１　前言

計(jì)算機(jī)從它產(chǎn)生的那天就開始了在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。早在２０世紀(jì)６０年代，為了提高控制精度和靈活性，人們提出了直接數(shù)字控制（ＤＤＣ）。進(jìn)入２０世紀(jì)９０年代后，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展并迅速在控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用，集散控制（ＤＣＳ）很快占領(lǐng)了工業(yè)控制領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。在２０世紀(jì)８０年代末期，為了實(shí)現(xiàn)ＤＣＳ系統(tǒng)與其低層控制器、傳感器的通信，出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，即把單個(gè)分散的控制或測(cè)量設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向的發(fā)展，一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，受到全世界的普遍關(guān)注。

ＣＡＮ總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)路，隸屬于控制網(wǎng)絡(luò)的范疇。它具有可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本文討論的是一種基于ＣＡＮ總線和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多網(wǎng)絡(luò)多主從的景觀照明控制系統(tǒng)。

２　照明控制

在照明設(shè)計(jì)中，合理和正確地選用照明控制方式是實(shí)現(xiàn)照明藝術(shù)性和舒適性的有效手段，是節(jié)約能源的有效措施。照明控制方式多種多樣，按其實(shí)現(xiàn)方式大致可分為以下幾種。

（1）傳統(tǒng)照明控制方式

傳統(tǒng)照明控制方式主要以手動(dòng)控制為主，依靠供電回路中的手動(dòng)開關(guān)或時(shí)間計(jì)數(shù)器來控制回路的通斷，實(shí)現(xiàn)燈具的開關(guān)控制。這種傳統(tǒng)方式相對(duì)簡(jiǎn)單、有效、直觀，但它過多依賴手工操作。整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)分散，無法實(shí)現(xiàn)有效地管理，其適時(shí)性和自動(dòng)化程度太低。

（2）自動(dòng)照明控制方式

這種控制方式利用直接數(shù)字控制技術(shù)來遙控?zé)艟叩拈_關(guān)，通常是控制中心發(fā)出信號(hào)，通過直接數(shù)字控制器來控制供電回路中接觸器的分合，從而控制供電回路的通斷，實(shí)現(xiàn)燈具開關(guān)控制。采用該種方式，解決了傳統(tǒng)控制方式的相對(duì)分散和無法有效管理等問題，實(shí)現(xiàn)了照明控制的自動(dòng)化，但是難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高可靠的照明控制，有很大的局限性。

（3）智能照明控制方式

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，辦公自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化的出現(xiàn)，人們對(duì)照明控制提出了更高的要求，從而產(chǎn)生了智能照明控制方式，即根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時(shí)間、室內(nèi)外亮度或該區(qū)域的用途來自動(dòng)控制照明設(shè)備，并能夠?qū)崿F(xiàn)集中統(tǒng)一管理與監(jiān)控的功能，并結(jié)合現(xiàn)代照明技術(shù)、照明藝術(shù)，科學(xué)的管理照明設(shè)備，讓人們?cè)谝粋€(gè)不僅在照明技術(shù)參數(shù)指標(biāo)方面應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且舒適、明亮并富有藝術(shù)魅力的照明環(huán)境里工作和生活。從智能照明控制系統(tǒng)的組成方式看，主要有總線型、電力線載波型、無線網(wǎng)絡(luò)型等。

３ 現(xiàn)場(chǎng)Cａｎ總線系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

本文中課題研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種基于Cａｎ總線的可編程智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件由上位機(jī)、控制器局域網(wǎng)總線、若干控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊等部分構(gòu)成。

控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。若干控制模塊中的主控模塊設(shè)有ＲＳ２３２接口，ＲＳ２３２接口和上位機(jī)連接，其它控制模塊作為擴(kuò)展模塊。主控模塊和每個(gè)擴(kuò)展模塊中均包括一個(gè)ＣＰＵ，ＣＰＵ的開關(guān)控制輸出接口與驅(qū)動(dòng)模塊連接，若干路開關(guān)量控制輸出給驅(qū)動(dòng)模塊。若干控制模塊通過Cａｎ總線連接。驅(qū)動(dòng)模塊由大功率可控硅和光電隔離構(gòu)成了固態(tài)繼電器組，用于驅(qū)動(dòng)不同回路的燈具。

上位機(jī)的作用是用于向主控模塊發(fā)出控制命令和編程命令，控制命令的作用是控制各控制模塊數(shù)據(jù)輸出，編程命令的作用是將上位機(jī)的數(shù)據(jù)下載到各控制模塊的ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器中。

在若干控制模塊中，每個(gè)控制模塊具有一塊控制模塊ＣＰＵ，并具備一個(gè)唯一的地址，每個(gè)控制模塊ＲＳ２３２內(nèi)置ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器并和控制器局域網(wǎng)總線接口連接，若干控制模塊通過控制器局域網(wǎng)總線接口與控制器局域網(wǎng)總線連接?？刂颇K分為主控模塊和擴(kuò)展模塊兩種，主控模塊的ＣＰＵ通過串行數(shù)據(jù)接口與上位機(jī)相連，主控模塊的ＣＰＵ通過開關(guān)控制輸出接口連接驅(qū)動(dòng)模塊，主控模塊ＣＰＵ連接液晶顯示器接口和萬年歷時(shí)鐘芯片。主控模塊設(shè)有一個(gè)與該模塊ＣＰＵ連接的工作模式選擇開關(guān)，用于控制所述串行數(shù)據(jù)接口和上位機(jī)連接的狀態(tài)，選擇可編程噴泉控制系統(tǒng)的工作模式。

擴(kuò)展模塊的作用是用于接收主控模塊的控制命令，根據(jù)主控模塊發(fā)來的控制命令或同步信號(hào)完成該模塊的控制，實(shí)現(xiàn)不同的開關(guān)控制輸出，將上位機(jī)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)下載到各擴(kuò)展模塊的ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器中，并傳遞與其它模塊之間的交接信號(hào)。擴(kuò)展模塊中還定時(shí)發(fā)送基本信息給主控模塊的裝置，用于故障診斷，擴(kuò)展模塊可以根據(jù)需要任意增減。

每套系統(tǒng)必須且僅能設(shè)定一個(gè)主控模塊，擴(kuò)展模塊可以根據(jù)需要任意增減。

時(shí)間信號(hào)的同步：考慮到在控制模塊較多時(shí)，由于各模塊的運(yùn)行速度的輕微差異，可能會(huì)出現(xiàn)控制不同步的問題，因此所有的控制模塊的時(shí)基都由主控模塊產(chǎn)生，各控制模塊的總線控制器通過驗(yàn)收濾波器設(shè)置只接收發(fā)給自己的數(shù)據(jù)和同步時(shí)基信號(hào)，這樣既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步又減少了各模塊的總線處理負(fù)擔(dān)。

模塊間的信息傳遞：有些數(shù)據(jù)變化規(guī)律是跨越模塊的，例如ＬＥＤ流水效果變化可能出現(xiàn)一個(gè)很大的控制數(shù)據(jù)組占用幾個(gè)控制模塊的情況，這時(shí)前一個(gè)控制模塊的數(shù)據(jù)就會(huì)傳遞到后一個(gè)模塊，這時(shí)控制模塊需要判斷傳遞出的數(shù)據(jù)以及傳遞的模塊地址，同步時(shí)基的作用下將數(shù)據(jù)送到總線上，如果某個(gè)模塊接收到給自己的信息，則根據(jù)控制規(guī)律加以處理，如果有模塊需要數(shù)據(jù)而得不到，則發(fā)故障信息。

故障判斷：除主控模塊外，各擴(kuò)展模塊都定時(shí)發(fā)送基本診斷信息給主控模塊，診斷信息包括：地址信息、數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)誤、地址重復(fù)等，主控模塊接收后顯示并發(fā)送給上位機(jī)。如果主控模塊接收到某地址信息則判斷出該擴(kuò)展模塊存在，否則判斷模塊不存在，控制模塊地址應(yīng)當(dāng)連續(xù)，如果不連續(xù)，則作為故障，例如有第１、３、４模塊，沒有第２模塊則認(rèn)為系統(tǒng)故障。

４　基于Ｃａｎ總線的可編程智能燈光測(cè)控技術(shù)與常規(guī)設(shè)備的技術(shù)比較

 基于Can總線的可編程智能燈光測(cè)控技術(shù)與常規(guī)設(shè)備的技術(shù)比較如下表所示。

５　基于多級(jí)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模景觀照明控制系統(tǒng)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，如何利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建可以對(duì)大規(guī)模景觀照明區(qū)域的可靠控制是我們這套系統(tǒng)要解決的問題。為此，設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)了多級(jí)網(wǎng)絡(luò)、多主從的照明控制系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，監(jiān)控服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)所控區(qū)域各種設(shè)備的協(xié)調(diào)監(jiān)控，而各現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)器可以自主實(shí)現(xiàn)對(duì)所控現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)各回路控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各回路的獨(dú)自控制。其中優(yōu)先權(quán)為監(jiān)控服務(wù)器－＞現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)器－＞回路控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多重冗余的高可靠控制。監(jiān)控服務(wù)器與協(xié)調(diào)器之間可以通過以太網(wǎng)（遠(yuǎn)距離可以通過光纖網(wǎng)）或者ＧＰＲＳ實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)交換，而現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)器和回路控制器之間則通過ＣＡＮ總線連接，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)器也可以利用其中的另一路ＣＡＮ總線連接亮度采集器等子設(shè)備，同樣回路控制器也可以利用其中另一路ＣＡＮ總線連接電參數(shù)采集、開箱報(bào)警等子設(shè)備。因此，整個(gè)系統(tǒng)形成了一個(gè)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)多主從方式的控制機(jī)制，為系統(tǒng)的大規(guī)模組網(wǎng)和可靠控制提供了網(wǎng)絡(luò)鏈路支持。

用戶可以利用成熟的互聯(lián)網(wǎng)，在任何電腦或上網(wǎng)設(shè)備（包含手機(jī)）上根據(jù)系統(tǒng)授權(quán)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的信息查詢、遠(yuǎn)程控制以及控制策略的定義等。

６　結(jié)束語

智能照明控制系統(tǒng)是自動(dòng)化技術(shù)在照明控制領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，它不僅是實(shí)現(xiàn)照明藝術(shù)性和舒適性的有效手段，而且迎合綠色照明的發(fā)展方向，是節(jié)約能源、緩解未來能源危機(jī)的有效措施，其發(fā)展前景非常廣闊。本文所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ＣＡＮ現(xiàn)場(chǎng)總線和ＧＰＲＳ/以太網(wǎng)相結(jié)合的多級(jí)多主從的照明控制機(jī)制，并且已經(jīng)在鎮(zhèn)江金山湖公園、南京六合滁河景區(qū)等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際部署和實(shí)現(xiàn)，取得了較好的效果。