基于網絡通信的智能照明系統設計

厲炎均

棗莊市中醫醫院，山東 棗莊 277000

0 引言

隨著社會科技的發展，目前借助科技手段可以使智能化家電和手機、計算機等終端實現互聯通信，促進智能家居的發展。網絡通信智能照明系統可集成微型控制器與無線傳感器設置智能燈具，不僅能夠實現智能化家居管理，還能為人們提供環保節能的照明環境。

1 智能照明系統需求分析

某辦公樓由鋼結構與鋼筋混凝土結構構成，共3層，第1層是控制間與實驗室，為操作人員與試驗人員的工作區域；第2層為設備層，放置控制柜、空調機體、空壓機設備等，人員較少；第3層為辦公區與實驗室。該辦公樓的照明設備較為分散，為了保證燈具的有效控制，設計照明系統需求如下：（1）人員走進工作區域需開啟全部照明設備；（2）對于開放式辦公區，由于和窗戶距離較近，光線充足，將照明設備光照強度調低，窗戶距離較遠位置光線不足，應調高設備光照強度；（3）對于茶水間、雜物間、打印室等場所，為了便于員工使用，照明設備為常亮狀態，會加大電能損耗，可采取敏感調節方式，無人時關閉照明設備，有人員活動及亮度不足時，開啟照明設備[1]；（4）工作結束關閉全部照明設備，調節不同場景的設備亮度，否則會造成能源浪費，影響員工的工作效率。

2 系統硬件設計

2.1 網絡通信模塊

應用網卡芯片ENC28J60用戶能夠在MCU上通過RS232擴展以太網，進而根據TCP/IP協議實現網絡通信。網卡芯片和主控制器通信，主要是利用RS232接口與中斷引腳實現，提供內部DMA模塊，迅速吞吐數據，支持硬件及IP校驗計算，通信最高速度約為10 Mb/s。專用引腳與LED連接后，網絡活動狀態會亮起指示燈，網卡芯片具有接收器能夠接收、過濾具有廣播、組播、單播地址的數據包。在數據字段中，以太網數據長度能夠在1 500字節范圍內進行變換，超出該范圍則違反以太網標準，會被節點丟棄[2]。網卡芯片如果設置巨大幀設置位是1，即可接收與發送大規模數據；填充數據字段中，只有數據字段不超過46字節方能達到填充效果，網卡芯片數據包發送中，自動填充為0，接收時數據包低于18字節自動拒絕。在CRC部位，網卡芯片數據包接收中，會對傳入CRC進行逐一檢查，判斷數據是否正確，發送數據包也會生成有效CRC，便于接收方檢查。

2.2 控制模塊

采用芯片CC2530，兼容8051內核，帶有AD轉換電路，支持網絡通信協議。系統中路由器、控制器、終端設備節點，均需搭載該芯片。該芯片傳輸數據效率更高，支持網狀網絡結構，傳輸距離更遠、覆蓋面積更廣。在網絡通信中，需應用傳感器信號調節電路，簡化硬件電路設計。

2.3 終端節點模塊

為了更加貼近使用場景，借助LM258與LM224運算放大器，設計輸入電壓處于0～10 V的調光接口電路，網絡通信模塊接收信號后，經過運算可生成對應PWM占空比脈沖信號，輸出值調光接口電路引腳位置，以控制LED燈具。LED簡單調節電流方式，是改變LED串聯的負載電流，檢測電阻，通過DC/DC恒流控制芯片，檢測電流接口，以保證檢測電壓及芯片參考電壓比恒定控制電流[3-4]。此過程中，考慮功耗問題，選擇檢測電流電阻較小，則難以實現控制，可直接更改采樣電壓，通過設置LM224A電壓進行輸出電流設置，完成LED驅動電源調光。

2.4 調光驅動模塊

照度采集作為智能照明系統的核心，是控制器調控節點的依據，要求節點準確采集照度值，反饋信息至控制器，確保系統穩定運行。該設計選用照度傳感器BH1750為核心采集模塊，其使用兩線式串行總線接口集成電路，分辨率高，無須外部插件，可直接測量環境光強度，運行穩定、功耗小。傳感器內部有PD，靈敏度高，借助光學窗口外部光線射入內部，二極管會生成反向電流，經過集成運算放大器與負載，向電壓轉換，進而轉換電信號為數字數據，輸出光強度結果。傳感器原理圖如圖1所示。

圖1 傳感器原理圖

檢測光參數與其他指標不同，光靈敏度較高，易受其他因素干擾，為傳感器設置特殊光學窗口，外部光線射入內部時，可通過測試寄存器，以達到實際測量要求。

3 系統軟件設計

3.1 PC端上位機

上位機可在平臺中使用C語言設計，為PC端控制程序，從而利用軟件控制照明節點，為人員提供自動、手動兩種燈光控制模式，相關人員可自行選擇燈光亮度，同時界面會展現燈光現有調節模式、光環境參數等。開啟PC端軟件后，先串口通信組件初始化，能夠接收來自網絡通信的節點數據，連續輸入上報數據，上位機則結合數據對Lab值進行持續更新，使頁面展現最新數據。此外，需清除緩存串口數據，避免占用過多系統空間。上位機需通過判斷界面指令，確定指令類型，為網絡節點發送數據，如選擇燈光亮度、控制燈光模式等。

實際程序運行中，上位機初始化串口組件時，需設置默認參數，包含數據位、串口號、波特率，向系統申請緩存4 000字節用于串口數據緩存，屏幕按鍵是不同類型數據，每個按鍵對應函數不同，據此發放不同指令至控制器。

3.2 模塊通信流程

在模塊通信連接中，選用W5500芯片，直接用模塊開發項目，可以節省開發時間，實現數據透明傳輸。在網絡中設置軟件參數，選擇串口波特率，更改模塊控制器，經過簡單設置，即可完成參數配置。控制器作為模塊通信重要環節，能夠維護局域網絡，為新接入的網絡節點設備，分配相應網絡地址，按下復位鍵后，即可觸發事件，讀取設備是否是控制器，確定后以控制器身份啟動，設置系統自啟動，實現復位重啟，構建系統網絡。啟動網絡后，操作系統初始化，根據照明需求分配任務事件后，系統執行指令，對設備硬件初始化，掃描現有任務狀態，等待連接網絡節點。網絡節點申請接入后，控制器會發起組網響應，分配網絡地址，成功組網后控制器能夠掃描事件狀態，采集節點發送數據，即可調用函數對數據進行接收處理。

終端節點啟動類似于控制器啟動，檢測自身為終端設備，會以終端設備方式自動啟動，經過一系列初始化設置，掃描附近網絡，發送請求至控制器，添加局域網即可開始傳輸數據，做到終端節點與控制器網絡通信。還可利用串口調試軟件，設置通信模塊發送數據，控制器主機發送“HELLO”后，從機能接收“HELLO”，從機發送信息至主機，主機也能接收信息。

3.3 調光程序設計

照明系統調光應用PWM措施，光照傳感器能夠轉換光信號為電信號，利用模塊ADC轉化模擬量為數字信號輸出出去，采集照度節點CC2530模塊，獲取照度信息發送數據至控制器節點。控制器收到照度值后，比對預先設置閾值，如果其結果不同則發送調光指令至照明節點，生成調光脈沖信號，輸入信號至調光接口，可實現智能調光，形成完整流程。該過程需重復多次，通過多次對比保證采集照度節點數據與閾值相同，系統不會發送調光指令至照明節點，維持照明狀態，直至環境產生變化，重復上述流程。

4 系統測試

在智能照明系統中，利用網絡通信方式接收傳輸指令，底層照明設備控制器轉發信息，計算處理控制命令，實現LED燈具亮度調節。安裝軟件至計算機，連接無線網絡測試系統功能。具體如下。

（1）用戶登錄。打開軟件，輸入郵箱、密碼、用戶名注冊，成功后登錄賬號開始測試，發現輸入不正確信息會出現提示，顯示登錄不成功，輸入正確信息可進入系統，彈出照明調節提示框，符合預期結果。

（2）配網功能。拷貝正確代碼，開關打開后指示燈為藍色，登錄界面點擊按鈕掃描，建立系統連接，使得計算機以照明設備產生數據包交換信息，結果顯示能夠掃描到系統信息，展示燈泡圖標。

（3）燈光調節。在智能照明系統中，結合不同場景選擇顏色、開關與亮度，以計算機控制設備變化，接入網絡后，點擊燈泡圖標進入界面，即可調節照明設備。

5 結束語

綜上所述，文章以網絡通信為核心設計了一種智能照明系統，可控制照明節電，利用照度傳感器對各區域照度信息加以采集，獲取照明實時數據，利用L224芯片設置調光接口，實現LED調光，以解決傳統調光效率低、耗能高的問題，該系統具有布置簡單、高效節能的特點。