基于1-wire總線技術(shù)的體育館智能照明控制系統(tǒng)研究

羅 俊 魏立明

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院 長春 130118）

引言

傳統(tǒng)的照明方式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在各種競(jìng)技比賽的需求,智能照明系統(tǒng)出現(xiàn)的頻率越來越高，它與其它各種網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也可以更好的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。智能照明控制系統(tǒng)在體育館運(yùn)行中占據(jù)著極為重要的位置,具有以上優(yōu)點(diǎn),它在體育場(chǎng)館中的應(yīng)用越來越廣泛。本文所介紹的體育館選用了1-wire智能照明控制系統(tǒng)，主要闡述了1-wire智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及在北方某大學(xué)體育館中的應(yīng)用[1]。

1 1-wire智能照明控制系統(tǒng)的工作原理

1.1 1-wire總線結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1-wire單總線顧名思義,只有一條數(shù)據(jù)線，用于系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換和控制。完成三個(gè)簡單的步驟，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，首先要做的就是將1-wire數(shù)據(jù)處理器件進(jìn)行初始化處理、其次要做的就是對(duì)1-wire數(shù)據(jù)處理器件和交換數(shù)據(jù)處理器件進(jìn)行認(rèn)證和識(shí)別，最后則是交換數(shù)據(jù)。

主機(jī)和從機(jī)之間一直存在一種跟從的關(guān)系，從機(jī)若要執(zhí)行一個(gè)操作則必須接收到相應(yīng)的主機(jī)的呼叫，否則從機(jī)就無法正常啟動(dòng)，從前到后的一次流程就是執(zhí)行初始化、ROM、命令功能命令、ROM。如果序列沒有按照既定順序發(fā)展，主機(jī)將不會(huì)被1-wire器件作出響應(yīng)。

1-wire總線不僅僅是結(jié)構(gòu)比較單一，方便操作，并且在價(jià)格上也比較優(yōu)惠，同時(shí)還節(jié)能，維修便利。而1-wire器件具備良好的系統(tǒng)集成程序精密性，外接時(shí)步驟也很簡易，所以可以在各個(gè)領(lǐng)域靈活地運(yùn)用，選擇它作為智能化的組成部件，是因?yàn)樵摬考w積較小，不需要太大的安裝空間，方便人們使用。

1.2 1-wire總線通信

總線控制器對(duì)于通信而言，是必不可少的部件，因?yàn)樗峭ㄐ砰_始的第一步。為了保證總線的同步，需要在控制器上選擇一個(gè)總機(jī)位，然后能夠進(jìn)行信號(hào)的調(diào)節(jié)，但是選擇信號(hào)的時(shí)候需要根據(jù)序列號(hào)，由特定的機(jī)位才能夠完成，同時(shí)使用對(duì)半檢索法[2]，找出下一個(gè)從機(jī)。其中選中從機(jī)后，未被選擇的從機(jī)會(huì)被掛起，此步操作早于下次復(fù)位信號(hào)。

在總線通信中，從機(jī)參與到應(yīng)用之后，對(duì)主機(jī)接收器一旦選定以后，就會(huì)形成固定的模式，這種模式不容易被更改，因此在選擇的時(shí)候需要慎重考慮。1-wire總線系統(tǒng)不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)照明亮度及時(shí)間的調(diào)節(jié)，還能夠有效的控制節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。

2 體育館照明特點(diǎn)及控制要求

2.1 體育館照明特點(diǎn)

北方某大學(xué)體育館主要包含了籃球館、乒乓球館、網(wǎng)球館以及羽毛球館這四個(gè)部分，其中籃球館的面積最大，羽毛球館的面積最小，四者對(duì)燈光照度的要求也不同。體育館的設(shè)置目的是讓人們有更多運(yùn)動(dòng)的空間，專注體育方面，必要時(shí)刻也可以作為其他用處，比如展覽、集會(huì)和訓(xùn)練。專業(yè)比賽時(shí)，需要滿足兩點(diǎn)照明要求，一是觀眾觀看比賽的時(shí)候，視線清晰，二是裁判員和運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作不受照明的牽制。運(yùn)動(dòng)比賽和項(xiàng)目多種多樣，照明系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用，保證比賽能夠順利進(jìn)行。因而體育館照明應(yīng)該滿足以下基本要求：

1）競(jìng)技者和裁判人員：能夠清晰地查看競(jìng)技場(chǎng)所在區(qū)域內(nèi)的各種活動(dòng)，發(fā)揮出最好的表現(xiàn)。

2）觀眾：觀看比賽的時(shí)候，場(chǎng)館燈光舒適不刺眼，可以時(shí)刻看清場(chǎng)館內(nèi)的環(huán)境，確保在場(chǎng)館的活動(dòng)具有最大限度的安全性。

3）體育館除了主館以外，還有會(huì)議廳這種輔助功能區(qū)，為了輔助功能區(qū)能夠起到最佳。

燈光環(huán)境，需對(duì)燈光效果進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，這樣符合功能區(qū)的特定需求[3]。

2.2 體育館照明控制要求

體育館的照明設(shè)計(jì)除了能夠?qū)崿F(xiàn)各種體育比賽正常進(jìn)行之外，還能讓運(yùn)動(dòng)員好好訓(xùn)練，鞏固體育能力。燈光的控制方案需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，從而才能夠滿足現(xiàn)實(shí)需求，根據(jù)需求設(shè)置亮度和時(shí)間。因此越是復(fù)雜的照明需求，其對(duì)燈光的控制也就會(huì)越多。

現(xiàn)代綜合性體育場(chǎng)館的照明監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足下述條件：

1）通過合理的管理可以節(jié)省能源及降低維護(hù)成本，操作簡單，管理簡易。

2）為運(yùn)動(dòng)員提供舒適的競(jìng)技、訓(xùn)練和體育活動(dòng)環(huán)境，以確保運(yùn)動(dòng)員能夠擁有較好的工作效率。

3）燈光控制的構(gòu)成模式共有三種，這樣才更加靈活多變，分別是單控、集控和總控。其中單控并沒有要求太多基本單元作出相關(guān)的反應(yīng)并且各個(gè)單元保持獨(dú)立，互不干擾。集控需要的基本單元數(shù)量變多，一次開關(guān)需要將參與的基本單元連接起來?？偪貏t是連接起所有需要的基本單元，適用于大型比賽時(shí)運(yùn)動(dòng)員的進(jìn)場(chǎng)，還有大型會(huì)議對(duì)滿場(chǎng)燈光的需求[4]。

3 基于1-wire總線技術(shù)體育館智能照明控制系統(tǒng)

3.1 方案分析

本方案的場(chǎng)地照明控制選用分布式智能照明控制系統(tǒng)。如圖1所示，根據(jù)對(duì)象區(qū)域的不同，需要分別設(shè)置照明控制系統(tǒng)，以滿足各種不同的需求，比如在觀眾席區(qū)域需要設(shè)置緩和的燈光，應(yīng)急區(qū)域需要設(shè)置醒目的燈光，乒乓球館需要設(shè)置明亮的燈光等。功能區(qū)需要的照度不同，所以控制方式更加多元化。

圖1 智能照明配電控制系統(tǒng)示意圖

本智能照明配電控制系統(tǒng)為兩路單獨(dú)的雙電源互投箱給體育館供電。球館使用的照明功率相當(dāng)大，因此對(duì)于燈具的啟動(dòng)，要按照一定的分組順序，因?yàn)樵谕粫r(shí)間內(nèi)點(diǎn)亮場(chǎng)館所有燈具的話，供電網(wǎng)絡(luò)會(huì)受到較大沖擊，難以承擔(dān)照明需要的功率，存在超負(fù)荷的可能性，對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生威脅，故針對(duì)場(chǎng)地電源的開啟，通過2組電源控制。如果場(chǎng)地照明出現(xiàn)失電現(xiàn)象，出于對(duì)照明系統(tǒng)的保護(hù)，會(huì)重新啟動(dòng)，系統(tǒng)檢測(cè)到重啟情況后，按照既定程序設(shè)置實(shí)現(xiàn)分組順序，將場(chǎng)館內(nèi)的燈具點(diǎn)亮。同時(shí)采用雙電源模式，一個(gè)電源在使用的時(shí)候，另一個(gè)電源處于一個(gè)休息備用狀態(tài)，供電于同一母線，當(dāng)另一個(gè)備用電源在使用時(shí)，中性線路會(huì)被切斷，因此此時(shí)的轉(zhuǎn)換開關(guān)可以稱之為四極開關(guān)[5,6]。

3.2 智能照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)是1-wire總線的可尋址功能，首先實(shí)現(xiàn)節(jié)能，還能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，脫離原有照明方案的限制，自由調(diào)節(jié)照度。研究表明，1-wire總線傳輸信號(hào)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，一切遵循時(shí)序編程就可以執(zhí)行程序，降低環(huán)境因素的干擾后，控制系統(tǒng)會(huì)更加完善[7-9]。

3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括了幾個(gè)大的部分，還有若干控制件，同時(shí)還包括了檢測(cè)模塊器件等。

圖2 基于1-wire總線的照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此次單片機(jī)型號(hào)為AT89C51，其引腳分配如圖3所示。還有1-wire網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器DS2482-100，可以驅(qū)動(dòng)FC轉(zhuǎn)1-wire協(xié)議，因此MCU滿足FC通信協(xié)議要求。開關(guān)型號(hào)選擇的是DS2413，主要是能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道，更加有利于進(jìn)行燈回路的控制。

圖3 AT89C51引腳分配圖

這么做不僅大大減少了所有編程的時(shí)間，還完善了1-wire的時(shí)序，使得通信過程中的錯(cuò)誤率盡量減少。除此之外，根據(jù)這個(gè)理論，一根1-wire總線對(duì)于掛接的從器件沒有任何約束。而現(xiàn)實(shí)情況是1-wire器件的數(shù)量越多，系統(tǒng)中的電容性和負(fù)載隨之增加，電纜在網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展過程中發(fā)生加長，導(dǎo)致電容值變化增大，所以為了降低掛接的從器件的數(shù)量，需要利用主機(jī)程序進(jìn)行模擬1-wire的時(shí)序與采用1-wire網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。

3.3 智能照明控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對(duì)多種不同的場(chǎng)景模式，可以選擇合適的智能照明控制系統(tǒng)，對(duì)燈具的點(diǎn)亮或者熄滅進(jìn)行控制，結(jié)合1-wire總線的優(yōu)點(diǎn)，執(zhí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，讓全部燈具之間的配合更加合理。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 基于1-wire總線技術(shù)體育館智能照明控制系統(tǒng)節(jié)能檢測(cè)與分析

北方某大學(xué)體育館含有一個(gè)200 m2的乒乓球館，本文以該乒乓球館為案例，對(duì)其進(jìn)行了一個(gè)月的照明耗電量的估算與統(tǒng)計(jì)，分兩種情況，一種是無1-wire總線，一種是基于1-wire總線。照明預(yù)計(jì)耗電量按每盞燈平均照明時(shí)間乘上燈具總數(shù)乘上燈具功率乘上30天計(jì)算。電燈間距8 m。節(jié)能預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

通過對(duì)比表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),基于1－wire總線的乒乓球館與無1－wire總線的乒乓球館相比，一個(gè)月可節(jié)約能耗4032 kWh左右，節(jié)約用電量66 %，雖然在現(xiàn)實(shí)生活中，用電量是用梯度法計(jì)算的，但本文采用的估算統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出的節(jié)電率與用梯度法計(jì)算的節(jié)電率相比，應(yīng)該波動(dòng)不大。因此，本文設(shè)計(jì)的基于1－wire總線技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)在節(jié)能問題上是可行的。

表1 節(jié)能預(yù)估統(tǒng)計(jì)檢測(cè)表

5 結(jié)論

本文采用1-wire總線技術(shù)對(duì)體育館智能照明控制進(jìn)行分析，主要從1-wire系統(tǒng)工作原理、體育館照明控制要求、控制系統(tǒng)方案分析等方面進(jìn)行了介紹，通過系統(tǒng)節(jié)能與檢測(cè)分析中無1-wire總線與基于1-wire總線兩種情況的對(duì)比，結(jié)果表明節(jié)約能耗4032 kWh，節(jié)約用電量66%，證明在節(jié)約能源的問題上是切實(shí)可行的。