基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能臺燈設計

沈陽航空航天大學電子信息工程學院 李佳譯 郭 銳 王 亮 侯明陽

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，將分散的、具有通信能力的傳感器節(jié)點有機互聯(lián)起來，使日常生活中的所有事物都有可能成為其連接和溝通的對象，為實現(xiàn)全球物理感知提供了技術(shù)支持[1]。ZigBee技術(shù)是一種新興的無線自組網(wǎng)通信技術(shù)，具有低成本、低功耗、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率等特點，在日常生產(chǎn)生活中被廣泛應用[2]。基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)應用了ZigBee自組網(wǎng)通信技術(shù)，具有功耗低等特點，同時避免了繁瑣的布線工作，極大的節(jié)約了產(chǎn)品的成本[3]。

臺燈是日常生活中的必需品，使用者大多是一些年邁視力較差的老人或者處在發(fā)育階段的學生。使用過程中，臺燈的頻閃會損害視力；用戶經(jīng)常忘記關(guān)燈會造成浪費；夜晚需要使用臺燈時，需要摸黑去開燈，非常不安全，不方便。目前，市面上現(xiàn)有的智能臺燈都以普通日光燈管、節(jié)能燈、白熾燈等作為光源，采用有線的方式連接，通過開環(huán)的手動控制開啟關(guān)閉并調(diào)節(jié)亮度，存在智能化程度低，價格昂貴、不易推廣、耗電量大、損害視力等問題。在上述背景下，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計了一款能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、性價比較高的智能臺燈控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

智能臺燈控制系統(tǒng)主要由六部分組成。分別為微控制器模塊、LED照明模塊、LCD液晶顯示模塊、信息采集模塊、用戶按鍵模塊和電源模塊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

圖2 微控制器模塊電路

該智能臺燈控制系統(tǒng)有兩種可以互相切換的工作模式：自動工作模式和手動工作模式。用戶能夠通過按鍵選擇工作模式并調(diào)節(jié)光照等級。系統(tǒng)處于自動工作模式時，微控制器通過無線傳感器網(wǎng)絡與安裝在室內(nèi)的傳感器節(jié)點進行無線通信，接收光照強度和熱紅外信號等室內(nèi)環(huán)境信息。當光照強度小于200勒克斯，同時有人進入熱紅外釋電傳感器的感知范圍時，智能臺燈開啟并根據(jù)檢測到的光照強度自動調(diào)節(jié)智能臺燈的光照等級。此外，用戶可以通過按鍵隨時切換到手動工作模式，利用按鍵直接控制臺燈的打開和關(guān)閉，并調(diào)節(jié)光照等級。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

智能臺燈控制系統(tǒng)硬件電路部分采用CC2530芯片作為整個系統(tǒng)的無線收發(fā)及微控制器模塊；以熱釋電紅外傳感器HC-SR501檢測是否有人靠近、光照強度傳感器BH1750檢測光照強度，構(gòu)成系統(tǒng)的信息采集模塊，通過ZigBee技術(shù)組網(wǎng)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)微控制器處理后控制LED照明模塊的開啟和關(guān)閉，同時根據(jù)光照強度信息調(diào)節(jié)光照等級，從而實現(xiàn)智能臺燈的自動控制。

2.1 微控制器模塊

該智能臺燈控制系統(tǒng)采用基于標準協(xié)議IEEE802.15.4之上，應用于ZigBee的CC2530芯片作為系統(tǒng)的無線收發(fā)及微控制器模塊，其能夠建立較為強大的網(wǎng)絡節(jié)點且總材料成本很低。同時CC2530芯片能夠在超低功耗的要求下長時間工作，使其尤其適合智能臺燈控制系統(tǒng)的設計。微控制器模塊電路如圖2所示。

2.2 信息采集模塊

智能臺燈的信息采集模塊由熱釋電紅外傳感器HC-SR501和光照強度傳感器BH1750構(gòu)成。熱釋電紅外傳感器HC-SR501擁有很高的靈敏度，響應迅速，使用壽命長，穩(wěn)定性好，同時可以實現(xiàn)數(shù)字輸出，直接與微控制器連接。光強度傳感器BH1750是一種數(shù)字型光照強度傳感器，采用兩線式串行總線接口，直接數(shù)字輸出，可以實現(xiàn)分辨率為1勒克斯的高精度測定。這些傳感器采集到的的實時數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送給微控制器，經(jīng)處理后作為系統(tǒng)的反饋信號調(diào)節(jié)PWM輸出，從而實現(xiàn)智能臺燈的自動控制。

2.3 用戶按鍵模塊和LCD液晶顯示模塊

由于本系統(tǒng)占用的I/O口資源較少，所需按鍵數(shù)目不多，故系統(tǒng)采用四個獨立按鍵，其中一個按鍵控制系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉，一個按鍵選擇工作模式，另外兩個按鍵調(diào)節(jié)光照等級的增減。獨立按鍵接口電路結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程容易實現(xiàn)。

LCD液晶顯示模塊采用1602液晶作為顯示器，微控制器通過并行操作寫方式實現(xiàn)對1602液晶的控制。智能臺燈利用1602液晶顯示屏顯示系統(tǒng)的實時工作模式、光照強度和光照等級。同時，可以通過連接一個高精度的電位器，實現(xiàn)1602液晶顯示屏亮度的調(diào)節(jié)。

2.4 LED照明模塊

LED照明模塊采用15個LED作為發(fā)光源，由于采用PWM調(diào)光技術(shù)，同時為了節(jié)省I/O口資源，15個LED全部采用并聯(lián)方式連接，并和1k歐姆的電阻串聯(lián)來限流。當智能臺燈工作在自動工作模式時，需要通過光照強度傳感器檢測外界光照強度和熱釋電紅外傳感器檢測是否有人靠近構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)自身的光照等級。若室內(nèi)光照強度大于200勒克斯，光照充足，不論是否有人靠近，智能臺燈關(guān)閉；若室內(nèi)光照強度小于200勒克斯，同時有人靠近時，智能臺燈開啟，根據(jù)實時檢測到的光照強度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的光照等級。當工作在手動工作模式時，用戶通過按鍵手動調(diào)節(jié)光照等級。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序設計主要由程序初始化子程序、按鍵掃描子程序、PWM調(diào)光子程序、LCD液晶顯示子程序等構(gòu)成。作為系統(tǒng)的控制核心，主要完成與各個傳感器節(jié)點之間的組網(wǎng)無線通信、分析處理傳感器數(shù)據(jù)，按鍵掃描檢測、PWM調(diào)節(jié)光照等級、LCD液晶實時顯示等工作。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 結(jié)束語

通過測試驗證，實現(xiàn)了兩種不同工作模式下對智能臺燈的自動控制。在自動工作模式下，系統(tǒng)通過檢測智能臺燈周圍的光照強度，是否有人靠近等相關(guān)數(shù)據(jù)，控制智能臺燈的開啟和關(guān)閉，自動調(diào)節(jié)光照等級；在手動工作模式下，用戶可以使用按鍵手動控制智能臺燈的開啟與關(guān)閉，調(diào)節(jié)光照等級。同時實現(xiàn)了微控制器與各個傳感器節(jié)點之間的組網(wǎng)無線通信，有效通信距離可達20米以上。該智能臺燈使用方便、節(jié)能環(huán)保、具有很強的實用性。

[1]王仁興,易靈芝,王根平等.基于LEACH協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡路由算法[J].計算機測量與控制,2012,20(11):3129-3130.

[2]陳靖,吳景東.基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的分析和應用[J].工業(yè)控制計算機,2010(11):30-32.

[3]吳培亞,王鋼.基于ZigBee的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用,2012(8):28-31.