基于單片機的家居智能燈控系統設計

熊 松，肖春生

(江西生物科技職業學院 江西南昌330200)

0 引 言

在現代家庭生活中，大部分家庭照明燈都是通過外接手動開關控制的，許多粗心的住戶時常出現忘記關燈、白天光線充足誤開燈等浪費電能的現象。隨著現代物聯網技術的飛速發展，如果能將智能技術與LED照明技術相結合，設計一套家居燈光智能控制系統，使得住戶可隨心所欲地對家居照明進行控制，同時使家居燈光具備自動開閉和自動調節光亮的能力，不僅能節約家庭用電量，還能提供給住戶更優質、舒適的生活居住照明體驗。

1 家居智能燈控系統方案設計

本文設計的家居智能燈控系統是利用傳感技術、通信網絡技術、單片機控制技術以及集成技術等組建起來的一個綜合信息控制管理系統，其主要實現對家宅燈光的智能管理。用戶可通過手動開關、無線遙控、一鍵場景切換、遠程控制等多種控制方式對家宅內燈具進行一對一開閉、調光控制以及對不同區域(如臥室、客廳、衛生間、廚房、過道)燈光的系統控制。同時根據家居環境的監測完成對室內燈光開閉和調光的智能控制，實現“人來燈亮、人走燈滅”的節能用電模式。

2 系統硬件設計

2.1 主、從機硬件設計

本文設計系統的硬件采用主、從機控制方式，其硬件設計結構如圖1所示。主機控制芯片選用宏晶科技生產的 STC12C5A60S2單片機，其指令代碼完全兼容傳統 8051，但速度快 8～12 倍，功能主要為接收并處理來自各控制節點傳遞來的信息。手機、電腦等智能終端用來向主控芯片發送控制指令以及接收來自主機的信息。按鍵輸入模塊完成系統相關參數的設置及手動模式切換控制。時鐘芯片DS1320為單片機提供時間信息，與單片機之間采用同步串行方式進行相互通信。LCD液晶顯示為人機交互的界面，時鐘信息、狀態信息、功能選擇信息等均通過液晶界面進行顯示。USB接口除了給主機供電外，還可作為程序修改的預留接口，由 Keil C51軟件生成的.hex文件可通過該接口燒錄至單片機芯片中去。

從機被控芯片選用價格實惠、功能齊全的STC89C52單片機，功能主要表現為將家居環境各個區域收集的環境檢測數據實時發送至主控芯片，同時接收來自主控芯片的控制指令去驅動光電耦合繼電器控制照明設備電源的通斷。室內環境檢測模塊包括光照探測器 BH1750和人體熱釋電紅外感應模塊HC-SR501，BH1750可測光強度變換范圍 1～65,536,lx，接近視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行 1,lx的高精度測定。HC-SR501供電電壓低、感應角度＜100 °錐角，可檢測大于 7,m 的距離，適用于家居環境檢測。調光模塊根據室內環境檢測模塊監測的數據控制燈具亮度，維持家居環境光照水平。

主從機之間利用 Zigbee組網技術進行雙向通信，完成整個家居智能燈控系統各環節點信息間的相互傳遞。

圖1 家居智能燈控系統主、從機硬件設計結構圖Fig.1 Home and intelligent lamp control system main and slave hardware design structure diagram

2.2 Zigbee通信網絡的搭建

Zigbee無線通信是近些年興起的一種低功耗、低成本、低傳輸速率、信號傳輸距離遠、控制快速便捷、安全性高、組網靈活的通信技術，其技術優點對比其他短距離無線通信技術非常適合智能家居產品的控制，如表1所示[1]。

表1 幾種短距離無線通信技術比較Tab.1 Comparison of several short distance wireless communication technologies

本系統通過組建Zigbee無線網絡與家居照明燈互連，結合無線傳感技術，實現家居照明燈間的物聯網通信，同時方便住戶更好地對家中照明設備進行管理，住戶可以利用手機或者電腦終端對整個家庭的照明燈進行控制。ZigBee通信網絡是基于統一的 IEEE 802.15.4無線傳輸標準協議，其主要由終端節點、網絡中心協調器、家庭網關等部分組成，如圖2所示。各區域終端節點中的傳感器將測得的環境參量(如光線強度、紅外檢測等)提供給網絡中心協調器。網絡中心協調器負責建立ZigBee網絡以及對各網絡節點進行管理，其在接收來自家庭網關的相關控制指令信息后，將指令信息按照相應線路傳達至各區域終端節點，同時還可收集來自各終端節點的檢測信息，進行分析后在串口 RS232的支持下利用異步收發傳輸器(UART)與家庭網關進行信息的雙向傳輸。家庭網關是對內外部信息進行交換的聚集點，它的功能是轉換協議和傳遞信息[2]。

圖2 家居智能燈控系統通信結構圖Fig.2 The communication structure diagram of home intelligent lamp control system

3 系統軟件設計

本系統利用Keil C51開發編譯軟件進行軟件開發設計，使用C語言完成系統開發程序的編寫。系統上電后，先完成 LCD顯示模塊、短信模塊、時鐘模塊、傳感模塊等的初始化設置，然后建立 ZigBee通信連接處理來自各節點傳感設備和家庭網關的信息，最終通過輸出控制實現各項功能。

3.1 主機功能實現

圖3 主機程序流程圖Fig.3 Host program flow chart

主機的程序流程圖如圖3所示，其功能實現主要概括為以下 5點：①將家庭各區域傳感檢測到的參數、通信狀態以及繼電器實時通斷等情況顯示在LCD顯示屏上。②通過按鍵實現系統的功能設置及模式的切換，包括萬年歷、時鐘等的設置及自動和手動等模式的切換。③實現在室內環境光強度減弱時LCD自動調整背光，進入節能工作模式。④遠程GSM 信息查詢家居環境參數以及遠程發送控制指令。⑤向從機繼電器發送通斷控制指令信息等。

3.2 從機功能實現

從機的程序流程圖見圖4，其功能實現主要概況為以下 3點：①接收來自主機的控制信息，并根據控制指令驅動繼電器通斷工作。②將光傳感、紅外傳感等采集的家居環境信息通過ZigBee無線網絡傳送給主機。③自動模式下控制家居燈的智能通斷。以臥室照明自動控制為例，其程序設計流程如圖5所示，當光照探測器檢測到光強度小于 300,lx(根據《建筑照明設計標準》，300,lx的室內光照度有利于書寫、閱讀及視力的保護)，同時熱釋電紅外感應裝置檢測到室內有人存在時，從機控制芯片發出控制指令驅動繼電器打開適合盞數的照明燈，該功能充分利用室內環境的自然采光，實現節能效用的“人來燈亮”。當熱釋電紅外感應裝置檢測到室內沒人時，從機控制芯片發出控制指令驅動繼電器關閉照明燈，實現“人走燈滅”。

圖4 從機程序流程圖Fig.4 Slave program flow chart

圖5 自動模式燈控流程圖Fig.5 Automatic mode lamp control flow chart

4 結 語

隨著我國房地產市場的火熱、人們節能意識的增強以及住戶對美好舒適環境的憧憬，家居智能控制將會逐漸成為未來家庭裝修的首選。因此，對家居智能燈控系統的研究具有非常好的市場前景。本系統能夠為住戶提供良好的照明體驗，同時具備節能環保效果。但是系統在設計過程中還存在一些欠考慮的因素，例如場景模式的設計過于單調、系統安全性不足、與其他家居產品進行智能互聯不流暢等，這些均需要在以后的設計研發過程中不斷改進和完善,。