第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
在我国建筑行业快速发展的同时，高层建筑和智能建筑层出不穷，也随之带来了一系列问题，其中之一就是消防问题。建筑越高火灾的危险性就越大，高层建筑一旦发生火灾，人员疏散将会比较困难，容易引发安全事故。而智能建筑由于设备较多，线路比较复杂也存在很多安全隐患，所以这些建筑对于消防应急照明的功能及安全性提出了更高的要求，同时也提高了消防应急照明的安装和维护成本[1]。而现在的嵌入式技术、计算机网络技术、各种新型总线技术和自动化技术经过不断的发展和完善，应用于照明控制技术领域的成功案例不胜枚举，这不仅能有效节约能源，也便于集中监控管理，通过这些技术对现有的功能单一的消防应急灯进行合理地系统性改造，对建筑消防应急照明的发展也具有深远意义[2]。 应急照明主要包括备用照明、疏散照明和安全照明，在市电故障断电时，疏散照明是指示楼内人员找到建筑物出口的照明部分；安全照明是用于保障处于潜在危险环境人员的安全设置的特殊位置照明部分；备用照明是为保障日常活动继续进行的应急照明部分，一般安装在建筑物的走廊，楼道等位置，是比较常用的应急照明部分[3]。 目前的消防应急灯从实用的角度看存在很多不足。第一，传统的双头消防应急照明灯大多以白炽灯或者荧光灯等气体放电光源为光源，耗电较大，不利于节能环保。第二，消防应急灯只在市电电源发生故障时工作，其功能单一，平时处于闲置状态。且通常安装消防应急灯具的场所也会安装普通照明灯具，这样造成了灯具的重复浪费。第三，由于消防应急灯工作的时间较短且不确定，因而容易被工作人员疏于检修，一旦发生紧急情况可能不会发挥作用，带有隐患。第四，采用 EPS（应急电源）集中供电的消防应急灯具，平时由 220V 交流电源供电，遇到火灾等紧急情况下需要由逆变器将 EPS 电池组的输出的直流电逆变为交流电供电，因此遇到消防喷水器件喷出的水将十分危险。第五，根据《消防应急照明和疏散指示系统》GB13495-92 的要求，消防应急照明灯具的电源情况应当能够被实时监测，但是前市场上大多数的消防应急灯具并不具备此功能，也无法统一监控[4]。
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1.2 国内外研究现状及分析
建筑消防应急照明是消防系统中一项重要组成部分，在国内外深受重视，它能够在火灾或者市电断电等紧急情况时能够保证人员安全撤离，发展历史长，但由于技术和使用功能的局限，发展方向比较窄，创新性不高[9]。 在消防应急灯的光源方面，传统的应急照明灯具普遍以白炽灯为光源，这种光源发光效率较低，功耗较大，寿命偏短，成本偏高，常出现各种质量问题，在使用过程中存在一定的安全隐患。而目前的应急照明光源多采用节能灯和 LED 灯源[10]。节能灯本质上是一种紧凑型、自带镇流器的荧光灯，与白炽灯灯泡相比节能效果明显，但节能灯的启停较慢，易损坏，使用寿命短，耗电量明显高于 LED灯源。LED 光源光效高，使用寿命长，节能环保，有关 LED 灯具的研制与开发也是照明领域比较流行的科研课题，但仍处于发展阶段，一些技术尚不成熟，目前市场上的 LED 产品良莠不齐，不少产品颜色质量不如人意，灯具配套，眩光限制等还有很多工作要做，至于灯的频闪、电源谐波、功率因数等参数还较少涉及。21 世纪以来，我国有关 LED 的室内照明大都集中在射灯、灯杯、日光灯或白炽灯的交换灯泡上，由于受到散热、发光质量等技术短板的制约，它在建筑领域大规模应用的情况并不常见[11]。从全球照明来看，LED 产业主要以日本、美国、德国为技术主导，韩国和中国台湾次之。主要生产厂商有日本的 Nichia、Toyoda Gosei，美国的 Cree、Lumileds、Gelcore，欧洲的 Orsam 等国际厂商，这些国家和 LED 生产商引领 LED 照明产品不断发展[12]。欧洲很多厂商研制了一种新型应急照明灯具，它由内部反光镜和光线控制器构成，具有安装简便、节约成本和施工时间短等诸多优点[13]。
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第二章 绿色照明两用灯具总体设计方案
2.1 系统需求分析
建筑中的消防系统主要由火灾自动报警系统和联动控制系统组成，当发生火灾时，首先由探测器或手动报警按钮将火灾信号传输到火灾自动报警控制器，然后火灾自动报警控制器将控制启动火灾报警装置、灭火及联动设备[21]。 作为消防系统中的联动设备之一，消防应急灯具照明灯具功能单一、扩展性差、消防应急灯利用率低以及敏感度低。本文将消防应急照明功能与楼道灯结合，设计出一种绿色照明应急 LED 两用灯具，并由这些灯具组成分布式楼道灯具控制系统。该控制系统不仅实现了智能绿色低耗照明的功能，还可以在异常断电等情况下启用蓄电池保护措施，实现应急照明功能，改变了传统应急消防照明系统功能单一的缺点，有效的丰富了楼道灯光照明系统的功能，节省了施工成本。 本系统具备的主要功能有灯具开关的自动控制、智能亮度调节、电压检测、PC 上位机集中信息采集与控制等。且基于 CAN 总线的分布式架构，能够随时添加、删除节点设备。因此本系统的主要内容涉及下位机的硬件设计、上位机控制系统设计，CAN 总线数据传输等。LED 两用灯系统的总体结构框如图 2-1 所示。
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2.2 CAN 总线的优势
CAN（Controller Area Network）总线技术，是 1983 年德国电气商博世公司提出面向汽车的一种通信协议，用于汽车内部器件间的数据通信，是目前应用较为广泛的现场总线技术[34]。CAN 控制器通过组成总线的 2 根线的电位差来确定总线的电平，在任一时刻，总线上有 2 种电平：显性电平和隐性电平，显性电平优先等级高，只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平，而只有当所有的单元都输出隐性电平时，总线上才为隐性电平，图 2-2 为一个典型的 CAN 拓扑连接图[35]。CAN 总线与其他现场总线相比具有很多优势，它是一种一对多网络，网络上任一节点可以不分主从地发送报文。CAN 总线同时也可以连接多个单元的总线，传输方式灵活，同时具有错误检测、通知、恢复，故障封闭等功能，提供五种错误处理能力，采用循环冗余校验，保障传输可靠运行[36]。CAN 总线采用短帧结构，每帧都有检错措施，可靠性高，可有效抗干扰，传输速率高[37]。采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突，多个节点同时发送信息时，以优先级的高低来决定先后发送顺序，使通信网络运行流畅[38]。通信介质可选用双绞线、同轴电缆或光纤，传输距离可达到 10km（速率小于 5kbit/s）；传输速率可达到 1Mbit/s（总线长度小于 40m），总线的主要特性在于其传输数据的可靠和稳定性上[39]。 在照明控制系统中，CAN 总线数据传输技术以其通信距离长，数据传输速度快，出错概率低，可靠性强等优势在工程中得到广泛的应用[40]。CAN 总线安装成本较低，性价比较高，而且其通信协议可由控制器和接口芯片来完成，结构简单，易开发和维护，开发周期较短[41]。目前 CAN 总线应用的领域非常广泛，技术也相对成熟，因此根据 CAN 总线技术本身的优势和本照明控制系统的设计要求，选用CAN 总线作为本系统的通信方式较为合理。
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第三章 灯具的硬件设计 ...... 19
3.1 主控芯片电路设计 ......... 19
3.1.1 MCU 最小系统 ..... 20
3.1.2 供电电路设计 ...... 20
3.1.3 复位电路 ...... 21
3.1.4 晶振电路 ...... 21
3.2 外围芯片电路设计 ......... 22
3.3 CAN 总线驱动电路设计 ......... 28
3.3.1 下位机 CAN 总线驱动电路 ......... 28
3.3.2 上位机 CAN 总线驱动电路 ......... 30
3.4 本章小结 ......... 31
第四章 下位机系统软件设计 ...... 32
4.1 下位机软件开发环境 ..... 32
4.2 下位机控制程序设计 ..... 33
4.3 CAN 总线通信的实现 ..... 36
4.4 本章小结 ......... 42
第五章 上层控制系统设计与实现 ...... 43
5.1 上位机与 CAN 总线通信实现 ....... 43
5.2 上层控制系统的实现 ..... 44
5.3 本章小结 ......... 51
第五章 上层控制系统设计与实现
本章主要阐述上位机控制系统的实现方法，简述上位机与 CAN 总线的通信实现的流程与方法，重点介绍了上位机控制系统的设计与实现即 GUI 程序设计和系统功能测试。
5.1 上位机与 CAN 总线通信实现
在 LED 照明应急两用灯控制系统中，下位机将 LED 灯具控制节点采集到的数据通过 CAN 总线稳定可靠地传送到上位机，以及上位机通过 CAN 总线对下位机各个节点进行监测与控制，是本系统设计的关键。 目前 CAN 总线和 PC 机的连接方式主要有两种：一是通过一个 CAN 转换器与 PC 机的串口相连。二是在 PC 机的 PCI 插槽里插一块网络适配卡。考虑到系统稳定性、成本低和能耗小的要求，本研究选择第一种连接方式，即基于 LPC2119设计的 CAN 转换器。该芯片丰富的硬件资源使系统电路简单，结构紧凑，可靠以及抗干扰能力强。 在上位机控制系统中，各节点独立完成相应的数据采集、处理、存储以及显示等任务，数据通信时各节点是“平等主体”，采用点对点方式通信，同时每个节点均可作为上位机与 CAN 总线的连接点。通过 UART 发出系统数据收集命令并接收、存储数据。上位机控制系统程序主要分成主程序、CAN 中断服务程序和UART 中断服务程序 3 部分。
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结论
本文通过分析和研究国内外应急照明灯具和楼道灯具的设计原理与思路，设计出一种绿色照明应急 LED 两用灯具，并由这些灯具组成分布式楼道灯具控制系统。该控制系统由上位机（控制器）和自带蓄电池的灯具组成，灯具内配置单片机控制模块，上位机和灯具之间采用 CAN 总线方式通信。灯具内自配蓄电池电压检测装置，通过 CAN 总线将监测信息上传给上位机，实现消防电源监控系统的要求。 本研究完成的主要工作如下：
1. 系统硬件设计 根据灯具系统的设计需求、功能实现、硬件功耗以及性能等多方面考虑，选定微控制器模块、LED 驱动芯片、红外传感器和 CAN 控制器等芯片，设计了交直流电源切换电路、蓄电池充电电路、红外感应电路等。
2. 系统软件设计 从下位机控制器功能，上位机控制系统管理界面以及 CAN 总线等方面对楼道照明应急两用灯控制系统软件进行了设计与实现。满足了上位机与下位机各节点之间的数据的传输要求。
3. 系统功能验证 通过从下位机数据信息显示和节点故障两方面对灯具系统进行了有效验证。验证结果表明该系统可以实现对下位机采集数据的实时监测以及上位机对下位机各节点 LED 亮度以及照明模式的控制。
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参考文献(略)