燈光智能控制系統的設計

鐘竟瑜

（蘭州博文科技學院 電信工程系，甘肅 蘭州 730101）

目前，本學院教學樓的燈光控制方式為時間控制，該方式需要電工人員按春季學期和秋季學期的日出時間進行設置，每隔半個月前往電纜井手動操作調試。這種控制方式無法兼顧外界環境因素的影響，如遇刮風下雨陰天等自然環境，系統仍按既定時間亮燈、關燈，勢必會因教室光線不足而影響教學效果；又如在天氣晴朗的情況下，上午關燈時間過晚，下午亮燈時間過早，又會造成電能的浪費。這種傳統的燈光控制方法，既浪費人力，又浪費能源，還達不到有效的教室照明效果。

現有的燈光智能控制系統，如室內燈光智能控制裝置，其功能可謂非常強大，控制方式也非常全面，但并未得到普及和推廣，也存在一定弊端，如費用較高。大型室內燈光控制系統，其功能繁多，若用于教室燈光控制會華而不實，又因為施工時需采用低壓綜合布線，施工難度大，實際應用中操作復雜、故障率高，檢修難度大，此外若通過手機APP連接實現的燈光控制會受網絡限制，因為需在控制系統中內置Wi-Fi，但電纜井或控制總閥一般都在地下一層或以下，或為了防止人為破壞保障其安全性，都會使用密閉性較強的門窗并加固墻體，因此在這些場所網絡信號普遍較弱，且以上系統造價較高。因此需要設計一種適用于本學院的，可行性、實用性、推廣性和針對性都較高的燈光智能控制系統。

1 系統方案設計及選型

本系統需要實現時間控制、光感控制、數字顯示，以及出現故障及時報錯的信息提示，以增加系統的可靠性和安全性。具體需求為在時間控制的前提下考慮自然光對室內的影響，若滅燈的預設時間未到，而自然光已能滿足室內照明要求，則通過光敏傳感器輸送的信號，將燈光關閉；若亮燈時間未到，而因天氣環境等因素影響，室內照明過暗，則通過光敏傳感器輸送的信號，將燈光點亮。此外若該系統出現電源電力不足等故障時，應通過顯示器給出報錯信息。

因該系統使用的環境即每間教室的光線不同，故需為每間教室針對性地分別配置一套該系統，在考慮低成本和低功耗的前提下，系統設計和選型如圖1所示。

圖1 燈光智能控制系統框圖

主控芯片選擇微控制器MSP430F5528。比起STM32來說，其優勢在于價格低、超低功耗、功能齊全和穩定性高。因為本系統的應用場景為教室以及圖書館，數量較多，在考慮性價比的情況下，使用微控制器MSP430F5528能在完全滿足系統要求的前提下，降低造價成本以及使用的過程中的能耗。

MSP430F5528微控制器有USB接口、16位定時器（4個）、高性能12位模數轉換器、2個通用串行口和具有報警功能的實時時鐘模塊等，可滿足本設計需求且基本無資源浪費。其引腳及系統連線如圖2所示。

圖2 主控芯片引腳及連接圖

光敏傳感器需要三路，型號為FPD333-3B/L3，分別放置在教室內前、中、后三個位置，用于從不同角度采集自然光線，采集后由各自采集的信號（SIG）引腳送至運放LM324（該芯片有四路運放）的1IN+、2IN+、3IN+引腳，如圖3所示，LM324將信號放大后由1OUT、2OUT、3OUT引腳送至MSP430F5528的ADC1、ADC2、ADC3（ADC4預留可用于后期的系統擴展），三路信號進入微控制器內部后，經過A/D轉換再進行判決，判決方式為3取2，用于決定室內燈光的亮滅。

圖3 三路光敏傳感器與LM324的連接圖

時鐘信號選擇實時時鐘（RTC）DS1307，用于跟蹤當前時間和日期，該芯片支持I2C協議，該芯片功耗低，振蕩頻率為32.768kHz，可精準定時一天的時間（24 h）誤差很小，并將時間顯示在COG顯示器上。如圖4所示，時鐘信號經SCL引腳送入MSP430F5528的P1.3引腳，SDA也與微控制器的P1.4引腳相連。

圖4 DS1307引腳圖

按鍵模塊用于進行時間設置，如圖5所示，其P2.1和P2.3引腳與微控制器的同名端相連，通過KEY3進行時間的設置和定時的設置，KEY4可進行確認和取消時間和定時設置。

圖5 按鍵電路圖

顯示器使用COG液晶屏，它具有低功耗的特點，故能與低功耗微控制器MSP430F5528搭配，通過使用COG（用于時間顯示及定時顯示），可實現時間和自然光對燈光的并行控制。如圖6所示，COG的8、9、10、11、12引腳接至MSP430F5528的20、41、30、31、26上，實現時間設置的顯示及定時控制的顯示。

圖6 COG顯示器電路圖

供電模塊采用USB和電池模式供電，USB供電模式下采用Micro-USB如圖7所示，圖中VBUS、VUSB、USB n、USB p與微控制器同名端相連（此供電模式預留用于系統檢測時供電）。實際應用時使用電池供電，當為電池供電時，采用兩節7#電池（3 V），將其升至5 V電壓送入Micro-USB的輸入端供電。KEY1用于進行電池的管理對電池電量進行檢測。

圖7 電源電路1

另外還有如圖8所示的電路與微控制器相應的引腳連接，給微控制器MSP430F5528供電及提供保護。其中圖8（a）是復位電路，按鍵KEY2用于對微控制器MSP430F5528進行復位。圖8（b）（c）是時鐘電路，用于給微控制器MSP430F5528提供時鐘信號，使其穩定有序地工作。它們整體構成了微控制器MSP430F5528的最小系統。

圖8 電源電路2

繼電器選擇HLS8L-DC3V-S-C，工作電流為10 A，如圖9所示，將微控制器MSP430F5528輸出的電平信號經P1.5引腳送入繼電器的D1引腳，控制繼電器的打開和閉合，從而控制室內燈光的亮滅。

圖9 繼電器引腳圖

2 結束語

整套系統外加包裝殼，預計大小在10 cm×10 cm左右內，成本在100元以內，如果批量生產（以10件起制作）成本還能節省20%。

整個設計基本滿足系統需求，同時為更好地體現時間控制方面的智能化，需要充分考慮一年內當地的天氣情況，通過統計分析得出一年中不同時間段對燈光控制的時間區間，具體統計方法可通過使用Bartlett's球狀檢驗，進行因子分析，通過使用SPSS軟件計算進而得到方差貢獻率矩陣，利用GM（1，1）模型對該城市的氣候指數進行分析，通過建立多元線性回歸模型對當地的天氣情況做基本預測，由此提供系統控制的多個有效時間段。最后選擇相對來說電荷負載不太大的學生宿舍作為測試地點，可先選擇一間進而在一層樓進行測驗，以確保驗證的有效性和可靠性。