基于人體紅外和光強傳感器的智能網絡開關的研究與設計

包依勤，許文斌

（南京曉莊學院 信息工程學院，江蘇 南京 210013）

0 引 言

現今生活中常規開關的控制方式包含兩個狀態，即接通與斷開。相比于機械式墻壁開關，智能開關的功能特色頗為豐富，具有智能化、節能、安全、式樣美觀等特點。智能開關打破了傳統墻壁開關用途單一的局限，除了功能創新，其還被賦予了裝飾點綴的使命。智能開關被廣泛應用于家居智能化、工業智能化、農林漁牧智能化改造等領域，極大地節約了能源，提高了生成效率，降低了運營成本。

智能開關是指利用控制板和電子元器件的組合及編程，實現電路智能開關的單元。開關控制又稱為Bang-Bang控制，由于這種控制方式簡單并且易于實現，因此在家用電器和照明燈具控制中被廣泛應用。但如今的常規控制開關難以滿足精度的進一步提高和節能化要求[1]。

目前許多家庭或辦公室都安裝了墻壁開關，普遍存在無人燈亮、燈多人少、白天燈常亮等問題，不僅浪費了有限的電能，還縮短了燈具的使用壽命[2]。現有的調控方案分為如下兩種：

（1）通過安裝紅外傳感器來檢測室內是否有人員存在，如有則亮燈，即使白天光線很強；

（2）通過安裝光強傳感器來檢測室內光線強弱，若光線較暗則燈亮，即使室內無人。

上述兩種方案雖有一定的智能節能效果，但仍存在電能利用率低，節能效果不明顯等問題。基于人體紅外和光照傳感器的智能網絡開關較好地解決了上述問題，真正做到智能和節能。只在室內有人和光線較弱時，燈才亮；光線好或無人時，燈自動熄滅。

1 基于人體紅外和光照傳感器的智能網絡開關的結構

基于人體紅外和光照傳感器的智能網絡開關主要由CC2530芯片、人體紅外傳感器、光照傳感器和繼電器等組成。在原有開關基礎上，安裝人體紅外傳感器和光強傳感器。人體紅外信號及光強信號通過CC2530的I/O輸入端輸入，繼電器則分別與高壓端和CC2530的I/O輸出端相連。開關通電時，CC2530收到人體紅外和光照傳感器的信號，通過程序處理，判定當前房間的情況是否滿足開燈的條件：當屋內有人且光線較暗時，開關接通，其余時間皆處于斷開狀態。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖

2 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器是以紅外光作為介質的傳感器，又名熱釋電傳感器。壓電陶瓷類電介質在電極化后保持極化狀態，稱為自發極化。自發極化隨溫度升高而減小，在居里點時，溫度降為0。因此當這種材料接收紅外輻射而溫度升高時，表面負荷減少，釋放了一部分電荷，即熱釋電。釋放的電荷經放大器可轉換為電壓輸出，即熱釋電傳感器的工作原理[3,4]。本設計使用HC-SR501人體紅外傳感器，內部電路如圖2所示。

當有人進入人體紅外傳感器的感應范圍時，輸出高電平；離開感應范圍時則系統自動延時關閉高電平，輸出低電平[2]。CC2530通過其高低電平對當前檢測范圍內是否有人進行判定。人體紅外傳感器狀態原理如圖3所示。

圖2 HC-SR501人體紅外傳感器內部電路圖

圖3 人體紅外傳感器狀態原理圖

開關中所用的HC-SR501人體紅外傳感器實物如圖4所示。傳感器有三個引腳可與CC2530相接。VCC接正極，GND接負極，OUT接信號端，與CC2530輸入口相連。對于此傳感器，其靈敏度和延時時間可根據實際情況通過傳感器的旋鈕調節。

圖4 人體紅外傳感器實物圖

3 光照傳感器

光照傳感器是將光照強度值轉為電壓值的一種傳感器。光照強度指光照的強弱。以單位面積上所接受可見光的能量來量度，簡稱照度（Lux或Lx）。被光均勻照射的物體，在1 m2面積上所得的光通量是1流明時，其照度為1 Lux（流明為光通量的單位）。發光強度為1燭光的點光源，在單位立角體（1球面度）內發出的光通量為“1流明”[5,6]。本設計使用BH1750光照傳感器，內部電路如圖5所示。

圖5 BH1750光照傳感器內部電路圖

開關接通時，若人體紅外傳感器檢測到有人存在，那么光照傳感器便會采集當前房間的光照數據，并轉換成電壓值傳送給CC2530。CC2530通過光照傳感器傳送來的電壓值判定當前的光照值。光照傳感器工作原理如圖6所示。

圖6 光照傳感器工作原理圖

開關中所用的BH1750光照傳感器實物如圖7所示。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口（I2C）的數字型光強度傳感器集成電路，有四根不同的引腳與CC2530相連。VCC接正極，GND接負極，SCK與DAT分別與CC2530輸入口相連，作為I2C總線編程的時鐘信號端及數據端。

圖7 BH1750實物圖

圖8 CC2530最小系統電路圖

4 CC2530微處理器

CC2530是德州儀器（Texas Instruments，TI）生產的一款基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案，能以極少的總材料成本建立強大的網絡節點，對芯片進行編程，從而執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等，通過數字或模擬輸入輸出進行環境監測及設備控制的信號輸出。具體實現時選用CC2530F256芯片，實現功能最大化[7-9]。最小系統電路如圖8所示。

人體紅外傳感器、光照傳感與繼電器分別與CC2530相連接，共接入四個I/O端，其接入端口為輸入輸出，在程序中設定。初步假設情景：在房間中安裝好本設計開關，當有人進入房間時，人體紅外傳感器將高電平傳送至CC2530；收到高電平，CC2530通過光照傳感器實時采集當前房間數據。若當前光照數據低于設定閾值，則CC2530向繼電器輸出一個高電平信號，即打開燈；反之，關閉燈。CC2530自組成星形網絡，星形網絡的中心節點，即協調器接收所有智能網絡開關信息，實現統一開關控制。CC2530程序流程如圖9所示。

5 結 語

該智能開關的運用，使得房間的燈具實現了智能化控制。用戶進入房間時，無需刻意打開或關閉燈具；走出房間時，燈具會自動關閉；白天光線較好時，燈亦自動熄滅。開關在實現智能化的同時，也在一定程度上降低了燈具的能耗。CC2530作為一個真正的片上系統，經過時間的考驗，運行平穩，功耗低，且不易損壞，極大地保障了系統的安全性，程序運行穩定可靠。相比于單片機等其他實現方式，該方案具有功耗低、可自組網、穩定性強、可靠性高等優點。基于人體紅外和光強傳感器的智能網絡開關具有很高的應用推廣價值。

圖9 CC2530程序流程圖

[1] TechTarget存儲.intelligent switch：智能開關[DB/OL].https：//searchstorage.techtarget.com.cn/whatis/6-25173/.

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