地下車庫智能照明控制系統的設計

李鎮江，韓成浩

吉林建筑大學 電氣與計算機學院,長春 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直線上升,這增加了地下車庫的使用數量,導致地下車庫建筑面積擴大的同時也加大了地下車庫照明系統能源的浪費.目前,大城市地下車庫普遍采用24 h照明,這導致能源浪費.據統計,不應作為必要支出的“無用照明”耗損電能高達60 %左右,給我國能源產業帶來極大壓力.綠色節能、降低損耗的行動刻不容緩,是時候為地下停車場電能損耗做做“減法”了[1].上世紀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,廠商為滿足市場需求,研發出紅外感應日光燈,解決了聲控的缺陷與不足.但因紅外線感應容易受到溫度的影響,信號在傳輸中容易產生衰減,影響正常接收距離.現如今雷達傳感器應運而生,其檢測精度很高且能夠在多種復雜條件下工作,可實現多車道檢測.基于此傳感器,設計一款智能化、節能化、靈活化、維護方便的照明系統,不失為切實降低車庫無效能耗的方法之一,也是實現“按需照明”的必然方向.

1 系統的總體設計概述

本設計以STM32F103系列單片機為主控制器,并且與雷達傳感器相結合實時監測車庫動態環境.主控制器將傳感器得到的數據傳送給系統控制中心,同時對數據進行處理,然后向照明設備控制器發送相應調節亮度的命令,從而實現車庫照明系統亮度的自動調節,達到節約能耗的目的.系統在未出現緊急狀況時是良好的照明設備,智能照明控制系統依據車輛位置與探測器之間的不同距離進行精確調節亮度,設置實現節能.即時控制模式開啟時,車庫全部燈光打開,在發生緊急狀況時可以讓車輛及人員在最短的時間內判斷出正確的逃生方向.圖1為系統兩種控制方式.

圖1 系統兩種控制方式Fig.1 Two control modes of the system

2 系統硬件設計

控制系統正常工作的運行環境離不開硬件設計的搭建,按照控制系統硬件部分設計方案,系統將采用以Cortex-M3核心的STM32F103系列單片機為主要控制器.其是一種資源充足、便于推廣的高性能嵌入式處理器,并在此基礎上,添加多個外設連接電路以構成完整硬件體系.STM32F103最小系統原理圖如圖2所示.

圖2 STM32F103最小系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of STM32F103 minimum system

照明及節能控制系統主要由主控制模塊、電源模塊、雷達技術探測器模塊、LED驅動模塊以及屏幕顯示模塊等構成.圖3為系統總設計框圖.

圖3 系統總設計框圖Fig.3 System general design block diagram

2.1 主控制器

主控制器是硬件系統的大腦,系統的穩定性、可靠性與其密切相關,負責所有數據采集、運算、通信等任務.本設計采用體STM32F103型號單片機作為主控制器,相比較于普通51單片機,其工作溫度范圍廣,速度也比51單片機快,且程序模塊化,接口相對簡單,是一款大容量的通用單片機,具有外設資源豐富,性價比高,低功耗等優點[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 雷達傳感器

雷達數據傳感器的主要功能是為了監測車庫內車輛和人員的流動狀況,并通過對測得的數據進行處理后,對LED燈具實現調亮功能.本次設計采用K波段多普勒雷達傳感器,它以非接觸方法檢測汽車和人的運動情況,對所獲得的數據進行處理并分析,進而形成相關的燈光控制信號.該產品抗干擾能力強,且不受高溫、潮濕、光照、灰塵等的影響,對于運動檢測靈敏度高,漏識、誤識概率較低,完全可以適應車庫的環境條件.

2.3 調光方式

現階段研究常用的調光方式有兩種,即可控硅調光及PWM調光.可控硅調光的原理是調節交流電的導通角,改變其正弦波形,從而對交流電流有效值的調節,達到調光的目的,其缺點是會導致系統調光范圍變小,且調光性能比較差.另外,由于可控硅具有半控開關的屬性,其功能的實現僅能完成對電流的開啟,無法完全關斷電流,故不能達到節能的效果.

脈寬調制(PWM)本質是利用數字信號調節和控制模擬電路,可以大幅度降低系統的成本和功耗.在該種控制原理下,實驗過程中的任何時刻,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.占空比是負載或電路開啟的時間與負載或電路關閉的時間之比,占空比為10 %的信號在10 %的時間內處于開啟狀態,在其他90 %的時間內關閉.

圖4為不同占空比下的波形圖.在自動控制模式下,當車輛及人員接近探測器時,系統會隨著距離的由遠及近再到漸漸遠去,對LED燈進行實時調整亮度,由關到開再由暗變亮.合理調節光源開啟與關閉的時間,從而高效調整燈具的亮度,達到節能的效果.

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

2.4 LED驅動

本設計系統中選擇用Supertex公司的HV9910的通用LED驅動器完成對LED燈的照明驅動以及亮度調節.通過STM32F103產生相應的PWM信號,調節系統電路占空比,從而達到對LED輸出的改變、使其在0 %～100 %之間變化[3],而其當前頻率下的占空比則會影響此方法的調光精度.為保障LED的閃爍不會輕易被人眼察覺,通常情況下選擇大于100 Hz的開關頻率.對主控制器進行編程,可以實現輸出可調頻率的方波,這個方波信號經過濾波,加載在HV9910的PWM輸入引腳,就可以實現對LED燈亮度的數字調光.圖3為芯片內部結構圖.

2.5 電源

驅動電源電路的功能是對系統整體硬件電路進行供電.電源模塊的重要性主要體現在提供系統的穩定運行所需的工作電壓,保證系統的核心控制器、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定的3.3 V電壓,同時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電壓的轉換,將現有的220 V市電轉換為工作所需的穩定的5 V直流電,相應的變壓工作則由一款正向低壓降穩壓器SC662K-3.3 V的電壓轉換芯片完成.該芯片不僅能夠提供3.3V電壓輸出,內部還具有溫度保護電路以及限流整流電路,能夠保證供電的高精度性及高穩定性,是如今供電芯片的最佳選擇.

3 系統軟件設計

在整個地下車庫照明節能系統的設計當中,各個

硬件接口的驅動多是通過軟件程序實現操作的,軟件是控制系統的重要組成部分.智能照明系統主程序設計流程如圖5所示.

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

3.1 上位機設計

本次設計的上位機遠程控制端界面由USART UMI軟件進行編寫,通過虛擬界面的設計來顯示當前的系統的工作狀態.為方便工作人員操作該智能系統,設計的PC端上位機界面簡潔、易操作,界面分為兩個部分,分別是狀態控制、燈具顯示,每盞燈可以分別顯示亮或不亮.工作人員可根據上位機控制界面,切換照明控制的狀態,如“自動控制”、“手動點亮”等.其效果如圖6、圖7所示.

圖6 自動控制效果Fig.6 Automatic control effect diagram

圖7 手動點亮效果Fig.7 Manual lighting effect diagram

4 用電能耗分析

以某高校地下停車場為例,車庫內共計50盞燈具,均為T5型熒光燈,照明時間從6∶00～10∶00,共16 h.根據此學校辦公上班時間,設定車庫照明全開時間按7∶00～9∶00，11∶00～12∶00，16∶00～18∶00計,共5 h,其余時間采用本系統照明,共19 h,以便進行能耗分析比較.通過所列出的各項條件,地下車庫采用T5熒光燈和雷達感應LED燈方案年能耗分析見表2.

表2 能耗對比Table 2 Energy consumption comparison

由表2所示,雷達感應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,前者節電率可達76.1 %.其原因主要為:① LED燈功率比熒光燈功率低;② 由于應用了雷達感應 LED 燈控制方式,在滿足該車庫的照明要求的前提下,同時照明系統將能在合適的時間開啟、關閉,在開啟時能夠根據檢測到的不同信息,執行不同模式,實現智能化控制,保證車內人員駕車行駛的正常視野,不影響行車安全,同時最大限度地節約能源.與傳統熒光燈照明方式相比,大幅度降低了照明時間,減少了能源浪費.

5 結語

在加快實施節能環保、循環經濟的時代背景下,國家對節約能源、綠色環保提出了更高的要求.基于人們對智能化生活的向往,依托于智能控制的節能照明時代必將飛速到來.地下停車庫由于其特殊的功能需求,采用智能化節能照明系統能切實解決地下停車庫照明痛點,做到車(人)來燈亮、車(人)走燈暗[5],使地下車庫在符合相關照明標準的基礎上,大幅度降低照明能耗,進而縮減物業維護和管理成本,滿足節能減排政策要求的同時實現“按需照明”.