1、湖 南 工 业 大 学硕 士 学 位 研 究 生开 题 报 告选 题 名 称：基于嵌入式的校园节能控制系统的研究学 科 专 业：控制理论与控制工程研 究 方 向：嵌入式 院（系）所 ：电气与信息工程学院年 级：2010 级研究 生 姓 名 ： 邓鹏指 导 教 师：肖伸平教授撰 写 日 期：2011-11-2基于嵌入式的校园节能控制系统的研究一、研究背景、目的及意义 研究背景随着时代的进步，各类高校的发展壮大，校园节能问题也显得日益突出。如何建设节约型校园数字化监控系统成为时下的热点问题。本课题主要以校园路灯的智能监控与节能为例，校园路灯控制系统是校园节能建设的重要组成部分，其智能化程度也反映了
2、高校的现代化水平。研究表明，设计自动化程度高、运行可靠、安全性好、高效节能、使用维护方便的照明控制系统，是校园现代化的必然要求。近年来，计算机技术迅速发展，应用计算机技术推动各项事业发展，取得了显著成效。通过改变现行落后的照明控制方式来节约能源是建立节约型社会的重要组成部分。随着国家“节能法” 的颁布实施和我国 “十一五”规划的要求，节约能源已纳入社会可持续发展战略重要内容，利在当代，功在千秋。随着路灯照明规模的不断扩大，传统的技术方式下管理部门的维护成本也高速增长。因此，校园路灯控制系统采用计算机技术实现科学化、智能化管理势在必行。传统的路灯控制器只能实现简单的人工控制或定时开关，其存在以下
3、的缺点：不能对用电情况实时监测致使浪费电能；不能远程集中控制使管理麻烦；无故障报警，发生的故障得不到及时排除；同时耗费大量人力和物力，管理效率也非常低下。因此，对校园路灯的管理与控制迫切需要一种科学、合理、高效的方法，对开关灯及时性与准确性、节约能源、亮灯率等指标提出了更高的要求。为了适应这一发展的需要，提高校园路灯照明系统的管理水平，就必须加快校园路灯照明系统的科技进步和现代化建设进程，用新型的路灯监控系统来替代原来较为落后、繁琐的路灯运行方式，将有限的人力节约下来，得以发挥其应有的作用，创造更好的社会效益和更多的经济效益。新型的校园路灯控制器是路灯监控系统的重要组成部分，它不仅要实现路灯的
4、开关控制、路灯回路交流电参数采集和故障监测等工作，而且还要把现场的各种相关参数通过无线网络传递给监控中心，即要实现遥控、遥测、通讯、数据采集等功能。（二）研究目的及意义研究目的本课题将32位嵌入式技术、交流电参数采集等技术应用于路灯控制器中，设计出一种路灯智能监控和节能控制系统，以实现本地和远程路灯开关控制，现场路灯运行参数采集，故障报警等功能。目的是解决当前各大高校路灯管理中存在的一些诸多问题，例如：不能对用电情况实时监测致使浪费电能；不能远程集中控制，耗费大量人力和物力，管理效率也非常低下；无故障报警，发生的故障得不到及时排除等等。研究意义本课题的意义在于研究了基于嵌入式平台下校园节能智能
5、监控系统的软、硬件环境，为以后扩展功能提供了良好的基础，并能应用到城市照明系统的建设中，具有重要的理论意义和实用价值。同时，校园照明节能系统的建设适应了时下节能建设发展的要求，有着广阔的科研与经济前景。二、国内外研究现状及水平照明节能问题很早就引起了国外很多国家特别是西方发达国家的重视，也曾尝试过多种方案。欧盟非常重视照明节能，并在此方面做了一系列工作：第一，大力推行用紧凑型荧光灯(CFL)替代白炽灯。1998年欧洲有70%的室内照明灯仍然使用球形白炽灯，若直接替用可节电约60%以上。为此欧盟在1998年采用让家用灯泡贴标签的方法，该标签上写明以下内容：以A 到G 字母分级的效率分档标记，A级
6、节能效果最好，G级最差。第二，在非居室内推行节能措施，比如对镇流器和灯具提出能效要求，不符合要求者将被强制退出市场等。美国对节能问题也采取了一些措施，其节能产品法令(NAECA)禁止销售低效的镇流器，并规定2005年前所有正在销售的镇流器必须是电子的。同时，大力推广节能产品，并且有许多优惠办法鼓励民众购买节能产品。日本的相关城市也曾要求在工厂、办公室和道路上进行间隔点灯的试验，结果导致生产率和办公室效率降低以及治安、道路交通事故的大幅上升，不到一年时间就在一片反对声中全部放弃了。显然，这种消极的节电是不可取的。近年来，国际节电研究界提出了一种新思想“在保证照明效果下点着灯节电” ，这是发达国家
7、道路照明系统的重要设计思想。最近，澳大利亚发布了路灯标准AS/ NZS 1185，该系列标准由6个标准及相关标准组成。每个标准使用于多种类型的灯，每一类灯所要求的性能由灯的技术参数极限值给出，该标准除了对定光闪烁做了长期限制外，还考虑了环境方面的问题。国外照明节能技术的发展主要具有以下特点：(1)大力推动绿色照明，在光源的材料、使用规范上加以有效管理，出台一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围；(2)不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因数；(3)积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能、节电，建立了完善有效地奖励机制。在国内，对
8、照明节能产品和方法的研究起步较晚，但发展非常迅速。“中国绿色照明工程” 提出，要在保证亮度的前提下，推广高效照明器，研究新的节能照明的方法，提高电能利用率。目前我国市场上有很多种路灯节能控制产品，能达到一定节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况：(1)采用自藕变压器及磁饱和电压器的降压技术。其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯具受到市电的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差，相对来说稳压功能较差。针对于磁饱和电压器来说，除了上述不足外，其效率也普遍较低。(2)采用电子器件构成的可控硅式设备。
9、该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元件易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电网，使荧光灯及气体灯小停闪动，减损灯具寿命，降低照明质量，绿色环保效果差，国家相关规定已明令禁止使用这种无功补偿技术设备。而系统节电滤波形式，主要是净化电网，补充无功功率，补充电网，而对于有功电度表计量系统，缺少实际节电效果，对于新的节能方式的研究和使用，各个城市也做出了自己的尝试并收到了较好的效果。北京市路灯原来在每台变压器上都装了一个编好程序的控制仪，按照日出日落的时间控制路灯的亮灭。但是，碰到阴天和雨、雪、雾的天气，有时天已经很黑了，路灯却没有亮。改造后的路灯不是在每天固定的时刻亮/灭，而是根据天黑和天
10、亮的情况亮/灭。由此可以看出，节能的重要性已经成为各国政府和民间组织的共识。在目前能源紧张的大环境下，校园照明节能系统的建设适应了时下节能建设发展的要求，有着广阔的科研与经济前景。我们应参考国内外各种优秀的照明节能方案，结合校园道路的实际情况来开展路灯智能监控与节能控制系统的研究，达到有效照明与节能的目的。三、本研究已取得的相关成果本人对嵌入式硬件平台（ARM）和软件平台（Linux系统）有一定的了解，在嵌入式Linux软件开发方面有一定的经验，曾在Linux平台上编写过一个嵌入式音乐播放器，并在ARM 上实现了其基本功能 。同时参与了肖伸平教授申报的项目：节约型校园建筑节能监管平台研制与节能
11、改造以及湖南省自科基金项目的申报材料的准备工作，积累了一定的搜集和整理科研文献的经验。现已经搜集和整理了有关嵌入式程序开发及节能控制等方面的文献资料。四、研究内容（论文写作思路和初步提纲）（一）论文写作思路在导师的指导下，完成了对论文的选题。论文的写作思路大致如下，首先介绍本选题的研究背景、研究目的及意义，以及国内外在本课题的研究现状。接着介绍了嵌入式校园路灯智能监控系统的硬件平台（ARM）的详细信息及总体设计情况。然后又对本系统的软件平台进行了具体说明包括系统的移植、驱动程序的开发及移植。紧接着介绍了嵌入式校园路灯智能监控系统的图形界面制作工具（QT/Embedded ）和整个系统结构的研究
12、。最后完成嵌入式校园路灯智能监控程序的设计及节能控制系统的算法仿真。（二）论文写作初步提纲第一章：绪论1.1 引言1.2 课题研究的意义及目的1.3 校园路灯智能监控系统的国内外研究现状第二章：嵌入式校园路灯监控系统的硬件平台 2.1 嵌入式系统的概述2.2 校园路灯系统硬件的总体设计第三章：嵌入式校园路灯系统的软件平台设计3.1 Linux 操作系统简介3.2 ARM Linux 软件系统开发流程3.3 交叉编译环境的建立3.4 嵌入式 Linux 的移植3.5 建立根文件系统第四章：嵌入式校园路灯智能监控与节能控制系统的结构研究4.1 智能感应控制4.1.1 信号传递4.1.2 快速巡检4
13、.1.3 传递一些辅助控制信号和监视信号4.2 系统结构4.2.1 红外传感器4.2.2 压力压电传感器4.2.3 振动传感器4.2.4 声音传感器4.3 软件结构流程第五章：嵌入式校园路灯智能监控系统的图形界面设计5.1 嵌入式图形用户界面介绍（linux GUI）5.2 QT/Embedded 视频监控界面开发过程5.3 交叉编译 Qt 库第六章：控制系统算法和仿真 6.1 模糊控制的基本原理6.2 基于模糊算法决策模型的建立6.3 智能路灯节能控制系统仿真第七章：总结与展望本文结论及其下一步研究内容五、研究思路与方法本论文重点进行以下几个方面的研究：1.首先，介绍ARM9 S3C2440
14、开发板硬件平台资源，利用它的良好的可扩展性，搭建一个视频监控系统的硬件环境并对各硬件部分进行详细的介绍。2.然后，介绍构建嵌入式的软件平台，交叉编译环境的搭建，完成bootloader 和嵌入式 linux 操作系统的移植，根文件系统的制作。3.其次，介绍了嵌入式校园路灯智能监控与节能控制整个系统结构的研究4.再次，介绍并利用Qt/Embedded设计系统监控界面，Qt库及应用程序的编写移植。5.最后，完成嵌入式校园路灯监控程序的设计及节能控制算法的仿真。 六、研究的重点、难点和创新点 研究重点： 本文使用三星公司的32位嵌入式ARM9处理器S3C2440 作为智能控制系统的控制核心，对校园路
15、灯照明节能监控系统进行了详细硬件设计，同时利用嵌入式界面编程工具-Qt/Embedded设计出路灯节能系统的监控界面。 研究难点： 本文的研究难点主要是校园路灯照明节能监控系统的远程通讯以及路灯节能装置的设计。3. 研究创新点： 本文在总结分析前人的研究成果地基础上，将嵌入式技术、网络技术、节能技术有效的结合在一起，提出一种基于 ARM9 S3C2440 嵌入式 linux 校园路灯智能监控与节能控制系统的设计方案。七、研究进度和要求1、2011 年 9 月-2011 年 11 月：进行资料收集与整理，完成论文的综述与开题。2、2011 年 12 月-2012 年 2 月：完成嵌入式校园路灯智
16、能监控系统硬件的总体设计。3、2012 年 3 月-2012 年 7 月：完成对嵌入式校园路灯智能监控系统软件的总体设计控制。4、2012 年 6 月-2012 年 9 月：完成整个系统的软、硬件结合及测试工作。5、2012 年 10 月-2013 年 3 月：完成学位论文的撰写，整理，修改，准备答辩。附：参考文献1 周海.智能路灯节能控制系统研究D.武汉理工大学自动化学院， 2009 2 邵子扬.新型智能节能路灯的设计J. 世界电子元器件， 2009(2):25-293 马忠梅 ,徐英慧ARM 核微控制器结构与开发M. 北京航空航天大学出版社,2003 .4 刘森.嵌入式系统接口设计与Lin
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