基于教室LED照明智能控制系统的实现

肖春华，张洪涛

（1.武汉软件工程职业学院 电子工程学院，湖北 武汉 430205；2.湖北工业大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068）

目前，国内教室照明绝大部分是采用普通的白炽灯照明，人工控制方法[1]。这样，往往造成过度照明，形成极大浪费，更无法及时反映照明设施的运行情况，并且故障率高，维修也不方便，大量增加维护量和维护费用，不利于教室的管理和走可持续发展道路。

为了解决这一矛盾，计一种基于教室LED照明智能控制系统。本系统的实现能充分发挥LED的节能优势，实现“按需照明”的理念，起到“人来灯亮，人走灯灭”的调光作用，达到良好的节能效果，并且具备对故障自动侦测、报警具有实时性好、可靠性强等优点，极大地缩短了由人工定期巡查检测的时间和劳动强度。所选用器件成本低，稳定性好，具有提高产品附加值的作用。该系统具有很好的可维护性和拓展性，应用前景十分看好。

1 系统设计

该教室照明控制系统由在远端监控室的主控机和分布在各个教室的从机组成，系统设计框架图如图1所示。本系统是基于ARM与51单片机架构的控制系统，其中ARM作为主控机的主控制器，51单片机作为从机主处理器使用。ARM主控制器主要负责系统各个任务的管理和调度，同时给用户提供操作方便、简单的人机交互界面。作为远端从机的主控制器，单片机主要负责实现教室LED灯具的智能控制，以及执行由监控室主控机发过来的对LED灯具的控制命令。主控机和从机之间通过485总线进行通信。图1中只给出了主控机与一个从机之间的通信框架图，事实上，由于主控机与从机之间是通过485总线通信，所以可以根据实际需求设计多个从机。

图1 系统设计框架图Fig.1 Schematic diagram of the syatem

2 硬件设计说明

本系统设计中主控机中主处理器采用的是Samsung公司的S3C2440处理芯片。S3C2440是一款基于ARM920T内核的32位RISC架构的处理器，其体积小、低功耗、成本低、性能高，支持 Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。主频可高可达400 MHz，运算速度快，片内集成度高[2]。主控机集成了GSM通信模块、LCD显示模块、用于在监控室进行语音提示的语音模块，显示器显示当前的灯具运行情况，包括熄灭状态、智能调光状态、是否有灯具损坏等。管理员可以通过手机利用SMS技术实现同GSM模块的通信，主控机通过485总线将控制信息传送到远端的从机，实现对LED灯具的远程无线监控。同样，管理员也可以在监控室通过主控机上的键盘手动实现上述功能。

主控机对从机的控制是一对多的关系，在以够用和经济的原则下，项目组采用STC12C5A60S2作为分布在各个教室以及单个教室不同区域的从机的主控芯片。STC12C5A60S2是一款具有A/D转换功能的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位输入型A/D转换（250 k/s），可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。用户可将任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。从机集成了烟雾传感器、光敏电阻（本系统设计中采用2个光敏电阻，一个用于检测灯具损坏，一个用于采集自然光强）、红外热释电传感器、LED控制电路、扬声器和LED照明灯具。从机的工作原理是利用红外热释电传感器测量是否有人进入教室、在教室的哪个区域，进而对该区域的灯具进行控制。利用光敏电阻进行照度测量，进而确定是否有照明需求，结合LED控制电路，利用PWM对LED灯具进行智能调光，实现灯具亮度自动调节功能。系统具有开机自检功能，强制将所有灯具点亮，并使其工作在最大亮度状态，利用光敏电阻测出此时的LED光照强度，通过与事先经测试得出的值相比较，确定是否有灯具损坏，如果出现灯具损坏的情况，通过485总线与上位机通信，在监控室内，LCD会提示报修，并且语音模块也会语音提示报修信息，同时通过GSM模块给管理员打电话和发短信报修，实现对灯具故障自动监测功能，能够实现对故障实时远程报修。为了最大化节能，可以根据实际的作息时间，定时强制关闭所有灯具，管理员可以在主机上修改定时关闭灯具的时间，操作灵活、方便。作为附加功能，利用传感器，对室内的环境指标（如温湿度、CO2浓度等）进行实时监控。

3 系统设计的关键技术

3.1 LED控制模块设计

本设计采用恒流驱动方式，驱动芯片选择PT4115恒流驱动芯片，适合绿色照明LED灯的驱动电路。它具有较宽的直流8～30 V输入电压范围，击穿电压大于45 V，输出200～1 200 mA恒定直流，可满足驱动点亮1～7颗串联的大功率LED，驱动恒流大小可按应用方案设定[3]。PT4115采用频率抖动技术有效地改EMI，采用从满量程向下到零的PWM调光，安全可靠，调光比可达5000:1。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3 V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。PT4115的工作效率高达97%，是真正的绿色驱动IC。本项目在具体设计灯具时，每个灯具均采用7个1W/3.0V的LED串联而成，完全满足照明需求。具体的硬件设计原理图如图2所示。

图2 LED调光控制电路Fig.2 Circuit of LED dimming control

3.2 PWM调光技术

STC12C5A60S2内置PWM电路，可以根据需要产生占空比不同的PWM。在本项目设计中，为了最大限度的实现节能，设计了占空比分别为 0%、30%、60%、90%和 100%的PWM调光，灯具具体工作的亮度取决于教室是否有人存在、教室当前的自然光强的强度以及当前是否是处于允许照明时间（教室开放时间）。

软件实现也比较方便，只需要实现两个函数即可。分别是PWM初始化函数Init_PWM（）与调整脉冲宽度函数Set_PWM（unsigned char PWMdat0，unsigned char PWMdat1）。具体实现如下：

void Init_PWM（）

{

CMOD=0x00；//PCA初始化

CCON=0x00；//选择系统时钟/12为计数脉冲，则PWM的频率f=sysclk/256/12

CCAPM0=0x42；//允许 P13作为 PWM 输出

CH=CL=0； //PCA的16位计数器的高低八位

CCAP0H=CCAP0L=0； //占空比

PCA_PWM0=0； //占空比的第九位为0

CR=1； //启动PCA计数

}

void Set_PWM （unsigned char PWMdat0，unsigned char PWMdat1）

{

PCA_PWM0=PWMdat0；

CCAP0H =PWMdat1；//PWMdat1为根据实际需求而设定的修改占空比的参数，为0x00

//时控制灯具处于最亮状态，为0x30、0x60、0x90与0xff时分

//控制灯具处于30%亮度、60%亮度、90%亮度以及熄灭状态（相对

//于最大亮度）。

}

3.3 GSM网络通信模块程序设计

本系统采用的是SIM300无线通信模块，采用ZIF连接器外接SIM卡，CPU通过发送AT指令与SIM300进行通信，实现打电话、接收和发送短信等通信功能[4]。

模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。GSM与MCU通信是通过发送AT指令来实现的。用GSM串口调试助手调试GSM模块。

GSM模块在本项目运用中，主要有四部分程序设计，即GSM网络注册程序设计、CPU识别并处理GSM模块接收来自管理人员的短信程序设计、GSM模块向管理员发送短息程序设计以及GSM模块向管理员打电话程序设计。限于篇幅，笔者主要讨论GSM发送短信以及ARM处理器识别与处理来自管理员发送的控制命令短信。

3.3.1 GSM发短信程序设计

英文短信实现起来比较方便，笔者在此主要讨论中文短息的发送。

首先需要将预接收短信的号码进行16进制编码。编码的方法是在号码后面加F，然后将相邻奇偶位换位即可。

其次是对欲发送的信息内容进行编码。采用 “汉字/Unicode互换工具”进行编码，操作方便，只需要在该软件“双字节汉字”栏中填入如要编码的汉字，然后点击 “汉字转Unicode”，在“Unicode码”这一栏中会自动显示转化后的16进制 Unicode码[5]。

图3 GSM发送短信流程图Fig.3 Flow chart of GSM send message

再次是进行PDU格式编码。PDU编码格式为001100（前序）+0D（目的号码长度）+91（中国地区接入码）+86（国际接入码）+目的手机号码+0008（发送方式为8bit）+A7（信息保存时间）+信息长度+短信内容 （Unicode）[6]。

GSM发送短信的流程图如图3所示。

3.3.2 ARM处理器识别并处理短信程序设计

GSM模块在接收到AT指令与管理员发送控制命令短信时均会通过串口向ARM发送反馈信息，在程序设计时定义数组gsm_data[]接收来自GSM的反馈信息。其中，在收到短信的反馈信息中会包含"+CMGS"字符，通过调用strstr（gsm_data，"+CMTI:"）函数即可识别GSM是否接收到短信。然后向GSM发送读取短信的AT指令AT+CMGR=1，gsm_data[]即可接收短信内容。根据本项目的具体设计，结合实验分析，只需要识别gsm_data[74]与gsm_data[75]中的数据即可识别来自管理员的远程控制命令，并可以向在远端的从机发送相应的控制命令。现以1号房间的控制为例加以说明。gsm_data[75]中的数据如果为‘0’，则向从机发送强制点亮1号房间灯具命令。如果为‘1’，则向从机发送强制关闭1号房间灯具命令。如果为‘6’，则向从机发送智能调光命令。如果为‘8’，则向从机发送强制点亮所有房间灯具命令。如果为‘9’，则向从机发送强关闭所有房间灯具命令。ARM处理器识别并处理短信流程图如图4所示。

图4 ARM处理器识别并处理短信流程图Fig.4 Flow chart of ARM identification and processing message

5 结束语

文中针对目前国内教室白炽灯照明、手动控制方式、过度照明的现状，设计了LED教室智能照明系统，管理员在监控室可以手动远程控制教室照明，同时也能够利用SMS技术实现对教室的照明进行远程控制，能够实现灯具故障实时报修。设计成本低，软件模块化编程，修改灵活方便。该系统具有较高的附加值，经过实践证明系统运行稳定。该系统的成功设计能够真正实现教室的绿色照明，克服传统照明维修强度大、维修成本高的缺点，应用前景好。

[1]吴朋.LED路灯照明智能管理系统设计与应用 [J].仪器仪表学报，2012（8）：33-38.WU Peng.A Design and application of LED road lighting intelligent management system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2012（8）：33-38.

[2]温兆奇，徐军明，秦会斌.基于GPRS的智能照明系统控制终端的设计与实现[J].电子器件，2013（6）：36-38.WEN Zhao-qi，XU Jun-ming，QIN Hui-bin.Design and realization of smart lighting system control terminal based on GPRS[J].Chinese Journal of Electron Devices，2013（6）：36-38.

[3]Theodore S，Rappaport.Wireless conmmunications:past events and a future perspective[J].IEEE Communications Maganine，50th Anniversary Commemorative Issue，May 2002:150-153.

[4]叶宏.智能路灯控制系统的设计[J].城市建设理论研究，（电子版），2013：15.YE Hong.Design of road lighting intelligent control system[J].Chengshi Jianshe LiLun Yanjiu，2013：15.

[5]李秀红，孙忠富，黄天戍.嵌入式系统在基于WEB的农业信息获取技术中的应用探讨[J].农业网络信息，2005（12）：34-37.LI Xiu-hong，SUN Zhong-fu，HUANG Tian-shu.Study on application of embedded system for the agricultural information acquisition based on WEB[J].Agriculture Network Information，2005（12）：34-37.

[6]肖春华，李秀红，孙忠福，等.嵌入式无线远程环境监测系统的实现[J].微计算机信息， 2007， 23（11）:4-6.XIAO Chun-hua，LI Xiu-hong，SUN Zhong-fu，et al.Implementation of a wireless and remote environment monitoring system[J].Control&&Automation，2007，23（11）:4-6.