李鎮(zhèn)江，韓成浩

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

近年來,我國綜合國力大幅度提升,生活水平也在逐年提高.全國擁有汽車的人數(shù)直線上升,這增加了地下車庫的使用數(shù)量,導(dǎo)致地下車庫建筑面積擴(kuò)大的同時(shí)也加大了地下車庫照明系統(tǒng)能源的浪費(fèi).目前,大城市地下車庫普遍采用24 h照明,這導(dǎo)致能源浪費(fèi).據(jù)統(tǒng)計(jì),不應(yīng)作為必要支出的“無用照明”耗損電能高達(dá)60 %左右,給我國能源產(chǎn)業(yè)帶來極大壓力.綠色節(jié)能、降低損耗的行動(dòng)刻不容緩,是時(shí)候?yàn)榈叵峦＼噲?chǎng)電能損耗做做“減法”了[1].上世紀(jì)90年代,人們用的都是聲控日光燈,由于該方式容易受外界噪聲影響,廠商為滿足市場(chǎng)需求,研發(fā)出紅外感應(yīng)日光燈,解決了聲控的缺陷與不足.但因紅外線感應(yīng)容易受到溫度的影響,信號(hào)在傳輸中容易產(chǎn)生衰減,影響正常接收距離.現(xiàn)如今雷達(dá)傳感器應(yīng)運(yùn)而生,其檢測(cè)精度很高且能夠在多種復(fù)雜條件下工作,可實(shí)現(xiàn)多車道檢測(cè).基于此傳感器,設(shè)計(jì)一款智能化、節(jié)能化、靈活化、維護(hù)方便的照明系統(tǒng),不失為切實(shí)降低車庫無效能耗的方法之一,也是實(shí)現(xiàn)“按需照明”的必然方向.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)概述

本設(shè)計(jì)以STM32F103系列單片機(jī)為主控制器,并且與雷達(dá)傳感器相結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車庫動(dòng)態(tài)環(huán)境.主控制器將傳感器得到的數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)控制中心,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后向照明設(shè)備控制器發(fā)送相應(yīng)調(diào)節(jié)亮度的命令,從而實(shí)現(xiàn)車庫照明系統(tǒng)亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié),達(dá)到節(jié)約能耗的目的.系統(tǒng)在未出現(xiàn)緊急狀況時(shí)是良好的照明設(shè)備,智能照明控制系統(tǒng)依據(jù)車輛位置與探測(cè)器之間的不同距離進(jìn)行精確調(diào)節(jié)亮度,設(shè)置實(shí)現(xiàn)節(jié)能.即時(shí)控制模式開啟時(shí),車庫全部燈光打開,在發(fā)生緊急狀況時(shí)可以讓車輛及人員在最短的時(shí)間內(nèi)判斷出正確的逃生方向.圖1為系統(tǒng)兩種控制方式.

圖1 系統(tǒng)兩種控制方式Fig.1 Two control modes of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)正常工作的運(yùn)行環(huán)境離不開硬件設(shè)計(jì)的搭建,按照控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)將采用以Cortex-M3核心的STM32F103系列單片機(jī)為主要控制器.其是一種資源充足、便于推廣的高性能嵌入式處理器,并在此基礎(chǔ)上,添加多個(gè)外設(shè)連接電路以構(gòu)成完整硬件體系.STM32F103最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示.

圖2 STM32F103最小系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of STM32F103 minimum system

照明及節(jié)能控制系統(tǒng)主要由主控制模塊、電源模塊、雷達(dá)技術(shù)探測(cè)器模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊以及屏幕顯示模塊等構(gòu)成.圖3為系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖.

圖3 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖Fig.3 System general design block diagram

2.1 主控制器

主控制器是硬件系統(tǒng)的大腦,系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與其密切相關(guān),負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、通信等任務(wù).本設(shè)計(jì)采用體STM32F103型號(hào)單片機(jī)作為主控制器,相比較于普通51單片機(jī),其工作溫度范圍廣,速度也比51單片機(jī)快,且程序模塊化,接口相對(duì)簡(jiǎn)單,是一款大容量的通用單片機(jī),具有外設(shè)資源豐富,性價(jià)比高,低功耗等優(yōu)點(diǎn)[2].其功能特性見表1.

表1 STM32F103功能特性Table 1 Functions and features of STM32F103

2.2 雷達(dá)傳感器

雷達(dá)數(shù)據(jù)傳感器的主要功能是為了監(jiān)測(cè)車庫內(nèi)車輛和人員的流動(dòng)狀況,并通過對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,對(duì)LED燈具實(shí)現(xiàn)調(diào)亮功能.本次設(shè)計(jì)采用K波段多普勒雷達(dá)傳感器,它以非接觸方法檢測(cè)汽車和人的運(yùn)動(dòng)情況,對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析,進(jìn)而形成相關(guān)的燈光控制信號(hào).該產(chǎn)品抗干擾能力強(qiáng),且不受高溫、潮濕、光照、灰塵等的影響,對(duì)于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)靈敏度高,漏識(shí)、誤識(shí)概率較低,完全可以適應(yīng)車庫的環(huán)境條件.

2.3 調(diào)光方式

現(xiàn)階段研究常用的調(diào)光方式有兩種,即可控硅調(diào)光及PWM調(diào)光.可控硅調(diào)光的原理是調(diào)節(jié)交流電的導(dǎo)通角,改變其正弦波形,從而對(duì)交流電流有效值的調(diào)節(jié),達(dá)到調(diào)光的目的,其缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)光范圍變小,且調(diào)光性能比較差.另外,由于可控硅具有半控開關(guān)的屬性,其功能的實(shí)現(xiàn)僅能完成對(duì)電流的開啟,無法完全關(guān)斷電流,故不能達(dá)到節(jié)能的效果.

脈寬調(diào)制(PWM)本質(zhì)是利用數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)和控制模擬電路,可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗.在該種控制原理下,實(shí)驗(yàn)過程中的任何時(shí)刻,滿幅值的直流電流只有兩種存在形式,非百分百存在即完全不存在.占空比是負(fù)載或電路開啟的時(shí)間與負(fù)載或電路關(guān)閉的時(shí)間之比,占空比為10 %的信號(hào)在10 %的時(shí)間內(nèi)處于開啟狀態(tài),在其他90 %的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉.

圖4為不同占空比下的波形圖.在自動(dòng)控制模式下,當(dāng)車輛及人員接近探測(cè)器時(shí),系統(tǒng)會(huì)隨著距離的由遠(yuǎn)及近再到漸漸遠(yuǎn)去,對(duì)LED燈進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整亮度,由關(guān)到開再由暗變亮.合理調(diào)節(jié)光源開啟與關(guān)閉的時(shí)間,從而高效調(diào)整燈具的亮度,達(dá)到節(jié)能的效果.

圖4 不同占空比下的波形圖Fig.4 Waveform under different duty cycles

2.4 LED驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中選擇用Supertex公司的HV9910的通用LED驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)LED燈的照明驅(qū)動(dòng)以及亮度調(diào)節(jié).通過STM32F103產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào),調(diào)節(jié)系統(tǒng)電路占空比,從而達(dá)到對(duì)LED輸出的改變、使其在0 %～100 %之間變化[3],而其當(dāng)前頻率下的占空比則會(huì)影響此方法的調(diào)光精度.為保障LED的閃爍不會(huì)輕易被人眼察覺,通常情況下選擇大于100 Hz的開關(guān)頻率.對(duì)主控制器進(jìn)行編程,可以實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)頻率的方波,這個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過濾波,加載在HV9910的PWM輸入引腳,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈亮度的數(shù)字調(diào)光.圖3為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.

2.5 電源

驅(qū)動(dòng)電源電路的功能是對(duì)系統(tǒng)整體硬件電路進(jìn)行供電.電源模塊的重要性主要體現(xiàn)在提供系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行所需的工作電壓,保證系統(tǒng)的核心控制器、各部分傳感器以及LED等元件得正常使用[4].由于本文大部分芯片需要穩(wěn)定的3.3 V電壓,同時(shí)還有一些模塊的工作電壓為5 V.為了滿足不同器件工作電壓不同的要求,利用變壓器、整流橋和濾波電容完成對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換,將現(xiàn)有的220 V市電轉(zhuǎn)換為工作所需的穩(wěn)定的5 V直流電,相應(yīng)的變壓工作則由一款正向低壓降穩(wěn)壓器SC662K-3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換芯片完成.該芯片不僅能夠提供3.3V電壓輸出,內(nèi)部還具有溫度保護(hù)電路以及限流整流電路,能夠保證供電的高精度性及高穩(wěn)定性,是如今供電芯片的最佳選擇.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)地下車庫照明節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中,各個(gè)

硬件接口的驅(qū)動(dòng)多是通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)操作的,軟件是控制系統(tǒng)的重要組成部分.智能照明系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示.

圖5 主程序流程Fig.5 Flowchart of the main program

3.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的上位機(jī)遠(yuǎn)程控制端界面由USART UMI軟件進(jìn)行編寫,通過虛擬界面的設(shè)計(jì)來顯示當(dāng)前的系統(tǒng)的工作狀態(tài).為方便工作人員操作該智能系統(tǒng),設(shè)計(jì)的PC端上位機(jī)界面簡(jiǎn)潔、易操作,界面分為兩個(gè)部分,分別是狀態(tài)控制、燈具顯示,每盞燈可以分別顯示亮或不亮.工作人員可根據(jù)上位機(jī)控制界面,切換照明控制的狀態(tài),如“自動(dòng)控制”、“手動(dòng)點(diǎn)亮”等.其效果如圖6、圖7所示.

圖6 自動(dòng)控制效果Fig.6 Automatic control effect diagram

圖7 手動(dòng)點(diǎn)亮效果Fig.7 Manual lighting effect diagram

4 用電能耗分析

以某高校地下停車場(chǎng)為例,車庫內(nèi)共計(jì)50盞燈具,均為T5型熒光燈,照明時(shí)間從6∶00～10∶00,共16 h.根據(jù)此學(xué)校辦公上班時(shí)間,設(shè)定車庫照明全開時(shí)間按7∶00～9∶00，11∶00～12∶00，16∶00～18∶00計(jì),共5 h,其余時(shí)間采用本系統(tǒng)照明,共19 h,以便進(jìn)行能耗分析比較.通過所列出的各項(xiàng)條件,地下車庫采用T5熒光燈和雷達(dá)感應(yīng)LED燈方案年能耗分析見表2.

表2 能耗對(duì)比Table 2 Energy consumption comparison

由表2所示,雷達(dá)感應(yīng)LED燈照明和原T5熒光燈照明相兩種照明方式,在相同的地下車庫條件下,前者節(jié)電率可達(dá)76.1 %.其原因主要為:① LED燈功率比熒光燈功率低;② 由于應(yīng)用了雷達(dá)感應(yīng) LED 燈控制方式,在滿足該車庫的照明要求的前提下,同時(shí)照明系統(tǒng)將能在合適的時(shí)間開啟、關(guān)閉,在開啟時(shí)能夠根據(jù)檢測(cè)到的不同信息,執(zhí)行不同模式,實(shí)現(xiàn)智能化控制,保證車內(nèi)人員駕車行駛的正常視野,不影響行車安全,同時(shí)最大限度地節(jié)約能源.與傳統(tǒng)熒光燈照明方式相比,大幅度降低了照明時(shí)間,減少了能源浪費(fèi).

5 結(jié)語

在加快實(shí)施節(jié)能環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的時(shí)代背景下,國家對(duì)節(jié)約能源、綠色環(huán)保提出了更高的要求.基于人們對(duì)智能化生活的向往,依托于智能控制的節(jié)能照明時(shí)代必將飛速到來.地下停車庫由于其特殊的功能需求,采用智能化節(jié)能照明系統(tǒng)能切實(shí)解決地下停車庫照明痛點(diǎn),做到車(人)來燈亮、車(人)走燈暗[5],使地下車庫在符合相關(guān)照明標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,大幅度降低照明能耗,進(jìn)而縮減物業(yè)維護(hù)和管理成本,滿足節(jié)能減排政策要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)“按需照明”.