一種基于單片機技術的樓宇智能照明控制系統

蘇 健

（廣東省電子職業技術學校，廣東 廣州 510000）

0 引 言

可持續發展背景下，節能成為人們關注的重點，樓宇建筑中應用的長明燈雖然滿足了日常照明需求，但也因此產生了較多不必要的能源損耗。為了實現對建筑照明耗電量的有效控制，相關專業人員應積極研究并應用智能控制系統實現對樓宇照明的精準控制，結合現場情況對樓宇照明系統亮度進行智能化調節，滿足日常照明與節能需求。

1 系統框架結構

智能照明控制系統主要包括上位機、調光控制電路、ZigBee網絡以及ZigBee節點模塊。信息采集電路將紅外線、光照亮度等信號傳輸給單片機，經ZigBee節點模塊、ZigBee收發協調器傳輸給上位機，上位機根據接收的信息將控制指令傳輸給ZigBee收發協調器、ZigBee節點、單片機以及執行電路，最終實現對燈體的智能控制[1]。系統整體框架如圖1所示。

圖1 智能照明控制系統的總體結構

2 硬件系統設計

本設計所應用的單片機為AT89S52，該單片機具有執行操作、信息處理以及數據采集等相關功能。硬件系統主要包括繼電器控制電路、紅外傳感器、光照傳感器、鍵盤與液晶顯示以及燈管驅動電路等部分，具體框架如圖2所示[2]。

圖2 硬件系統結構

光照傳感器能夠將所采集的樓宇內光照狀態以數字量的形式傳輸至單片機控制器，由單片機將光照數字量轉化為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號。系統利用PWM占空比對燈具亮度進行動態控制，依靠集成電路（Integrated Circuit，IC）實現對燈具開關時間比例的控制[3]。

2.1 單片機控制器

AT89S52單片機內含8位互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）微控制器，能夠進行Flash編程控制，具有晶振及時鐘電路、看門狗定時器、32位輸入輸出口線、6向量2級中斷結構、16位計數器/定時器、數據指針以及全雙工串口通信等功能。AT89S52單片機能夠通過靜態邏輯操作將頻率降低至0 Hz，在芯片空閑時間可以停止運行片內處理器，但串口、計數器、中斷器以及存儲器等能夠持續運行。在芯片掉電時，振蕩器鎖死，保存隨機存取存儲內容，單片機各工作停止，在硬件復位或中斷請求的情況下重新開展工作[4]。

2.2 光照傳感器與驅動電路

光照傳感器的關鍵部件為光敏元件，對370～830 nm的可見光展現出較高的靈敏度。光敏元件芯體為進口硅蘭光伏探測器，能夠在各類環境中使用，光靈敏度不受光照強弱的影響。在實際應用過程中，需要結合樓宇內部情況對輸出方式、量程等傳感器參數進行合理設置[5]。為了滿足光照傳感器的運行需求，利用BH1750FVI傳感器進行光照信號采集。該傳感器內部主要包括16位模數轉換模塊、運算放大器、光敏二極管、時鐘振蕩器以及串行總線接口，具有較高的分辨率和兩線總線型串口，能夠將采集的光照信號以數字量的形式輸出，其探測的環境范圍也相對較大。BH1750FVI的基本框架如圖3所示。

圖3 BH1750FVI的基本框架

BH1750FVI傳感器借助集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）進行通信，能夠實現多組芯片的有效聯系，各芯片均能控制數據傳輸，有效實現了對傳輸總線的簡化處理。IIC總線具有串行時鐘線（Serial Clock，SCL）和串行通信數據線（Serial Data，SDA）兩路信號線，各設備基于分配的特定地址與總線連接。總線通信器件主要包括主機與從機兩類設備，具有總線停止與啟動兩種通信過程。針對ZigBee網絡中CC2530芯片無IIC總線接口的情況，為了滿足光照傳感器控制需求，可以合理利用CC2530內部的輸入/輸出（Input/Output，I/O）口模擬IIC總線功能，實現與光照傳感器的可靠聯系與控制。在實際應用過程中，將連接光照傳感器SCL時鐘線的I/O口設定為輸出，通過軟件控制的方式實現時鐘信號的生成。此外，將連接光照傳感器SDA數據線的I/O口設為輸入，結合IIC時序要求進行動態調整。

針對IIC總線功能的實現，主要應用了以下幾種數據傳輸函數，包括停止總線傳輸的void iic_stop(void)函數、啟動總線傳輸的void iic_start(void)函數、接收確認的char iic_get_ack(void)函數、向總線寫入數據的void iic_write_byte(unsigned char data)函數、讀取總線數據的unsigned char iic_read_byte(void)函數以及向總線發出確認指令的void iic_send_ack(char ack)函數。

2.3 紅外傳感器與驅動電路

為了滿足紅外傳感控制需求，選擇SS-101熱釋電紅外傳感器，其具有成本低、紅外感知靈敏以及可靠性高等優勢，工作電壓范圍為4.5～20 V。在驅動控制過程中，紅外線傳感器在感知到人體移動的情況下能夠從晶體管-晶體管邏輯電路（Transistor-Transistor Logic，TTL）引進將高電平輸出，并在CC2530引腳發出中斷指令，此時控制器利用繼電器電路將相應燈具開關打開。在傳感器無法檢測到人體的情況下，控制器將輸出“0”這一開關量，使得相應燈具開關關閉。為了避免出現燈具短時間內頻繁開關的情況，驅動電路需要對低電平控制進行延時處理。

2.4 燈管驅動電路

為了滿足發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈光的驅動控制需求，常用的電路主要包括電氣隔離或非電氣隔離兩種。選擇隔離式驅動電路，融合應用MOSFET與隔離變壓器，雖然成本高且結構復雜，但是具有較高的控制靈敏度和安全可靠性，能夠滿足LED照明的可靠控制需求。由于隔離變壓器將輸入與輸出端分離，因此能夠有效規避觸電風險。

2.5 繼電器控制電路

繼電器控制電纜主要應用各類繼電器對燈具控制電路的通斷情況進行控制，通過給定輸入量，達到一定條件時，繼電器相應觸點將被控制開斷，實現相應電路的開斷控制。繼電器能夠針對壓力、速度、功率、電壓以及溫度等各類信號進行感應控制，本文所應用的繼電器控制電路主要針對光照傳感器、紅外傳感器所采集的數據信號作出反應，實現對燈具開斷的有效控制。

3 軟件系統設計

3.1 單燈控制器

3.1.1 節點控制

單燈控制器主要有終端與路由兩種節點形式，路由節點能夠實現對網絡路徑的選擇，滿足個人局域網（Personal Area Network，PAN）末端節點的協調控制需求。單燈控制器軟件程序對節點的選擇需要結合所開展的任務來確定。控制器接收到相應信息后，需要判斷該信息是否需要向自身節點發送。如果是發送給自身節點的數據信息，則需要對數據信息解析和執行；如果不是發送給自身節點的指令，則需要借助路由表實現數據轉發。控制器借助目的地址和命令段來判斷是否需要解析數據信息，具體工作流程如圖4所示。

圖4 單燈控制器工作流程

根據圖4，單燈控制器需要對數據是否為本網絡、本節點指令進行判斷。當確認是需要接收的本節點指令時，檢查數據格式。如果格式錯誤，則停止后續解析操作；如果格式正確，則需要進行解析處理。解析過程中，控制器需要對數據中的命令信息進行判斷，結合程序設定的要求完成燈體開關控制相關操作流程，操作完成后需要繼續對數據指令進行監聽，等待后續操作指令的下達。

3.1.2 控制任務主流程

控制任務主流程主要包括樓宇燈具控制、電量檢測、通信任務執行。其中，燈具控制主要涉及變壓調節、過流過壓保護等，電量檢測即通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）與電量采集芯片進行通信，通信任務流程即與射頻（Radio Frequency，RF）無線傳輸芯片串行通信等。在程序運行過程中，需要掃描無線射頻網絡串口，在串口內存在需接收數據的情況下，對數據進行解包和協議轉化處理，并將封裝的數據利用無線通信網絡傳輸給上位機。此外，程序對無線通信模塊串口掃描，從中提取PPP幀信息。如果該幀來自于上位機發送給區域末端的指令，則由本區域解決；如果該指令需要由節點控制器轉發，則該指令經數據轉換后利用ZigBee網絡模塊轉發。

3.2 集中控制器

集中控制器能夠滿足燈具的集中控制與單獨控制需求。在集中控制過程中，控制器能夠對上位機發送的指令信息進行解析處理，并利用ZigBee網絡向單燈控制器發出相應控制指令，實現對樓宇內照明系統的智能化集中控制。無線網絡監聽模塊能夠實時接收上位機發送的指令信息，利用相應網絡協議對接收的信息進行處理，并利用串口將指令信息傳輸到控制器中存儲。利用控制器對數據指令的有效性進行判斷，在判斷指令有效的情況下執行相應操作，否則終止操作。控制器對燈具的控制時間可以結合用戶需求進行自由調整，以此來滿足用戶的多樣化控制需求。集中控制器的協調器在應用過程中，需要先初始化各設備，通過建立與單燈控制器的網絡連接，從而實現對各單燈控制器的集中控制。網絡連接后，對數據是否屬于本網絡的情況進行判斷。如果不屬于，則重新返回至網絡鏈接建立流程；如果屬于，則將數據傳輸至網絡。

4 結 論

基于單片機控制、ZigBee無線通信技術建立的照明控制系統能夠有效滿足樓宇內照明智能化控制的需求，有效降低照明能耗。其硬件系統主要由單片機控制器、光照傳感器、紅外傳感器以及相應驅動控制電路組成，軟件系統則從單燈節點控制、集中控制兩方面提出了程序設計流程。為了實現對照明的最優控制，相關研究人員也可以融合應用模糊控制、BP神經網絡等方法，進一步提高系統的智能化水平。