基于數(shù)字化技術(shù)智能照明系統(tǒng)研究

豪爾賽科技集團(tuán)股份有限公司 劉錫超 楊 雨

當(dāng)前，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及數(shù)字化智能化水平的不斷提升，照明系統(tǒng)作為智能化組成的重要部分，受到了眾多智能化企業(yè)的高度重視。智能照明系統(tǒng)是利用先進(jìn)電磁調(diào)壓及電子感應(yīng)技術(shù)，對供電進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與跟蹤，自動平滑地調(diào)節(jié)電路的電壓和電流幅度，改善照明電路中不平衡負(fù)荷所帶來的額外功耗，提高功率因素，降低燈具和線路的工作溫度，達(dá)到優(yōu)化供電目的照明控制系統(tǒng)。

在IBM、西門子（Siemens）、微軟（Microsoft）、松下（Panasonic）等全球知名大型企業(yè)的推動下，智能照明系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出迅猛的勢頭。我國作為全球照明電器加工制造和出口的大國，同時也是一個龐大的消費(fèi)市場，智能照明產(chǎn)品在這樣的宏觀環(huán)境下?lián)碛袕V闊的應(yīng)用前景[1-2]。

隨著科技進(jìn)步和核心技術(shù)的持續(xù)突破，智能照明系統(tǒng)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用也日益廣泛。綜合分析來看，我國智能照明系統(tǒng)面臨著廣闊的發(fā)展機(jī)遇。當(dāng)前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和電力資源的日益緊張，智能照明系統(tǒng)憑借其節(jié)能高效的材料優(yōu)勢和較長的使用壽命，成為解決能源緊張問題的有效途徑之一[3-4]。智能照明系統(tǒng)的研究不僅能夠?qū)崿F(xiàn)照明效果的個性化、智能化調(diào)控，還能夠大幅度降低能源消耗，對于推動綠色低碳生活方式具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

智能照明系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，其主要部分由ZigBee 終端以及ZigBee 協(xié)調(diào)器兩個部分組成，下圖的左邊部分為ZigBee 終端，包括人體紅外傳感器，LED 燈，右半部分為ZigBee 協(xié)調(diào)器，包括指示燈和按鍵，以及顯示屏幕。二者之間利用ZigBee 無線通信[5]。

圖1 系統(tǒng)方案框架圖

1.1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)總電路圖采用軟件Altium Designer10繪制而成，采用分模塊繪制方式，最終連接成整體仿真電路。該系統(tǒng)主要包括面板的輸入電路、光照度檢測電路、輸出電路、調(diào)光電路和顯示電路。本文主要介紹了智能照明系統(tǒng)的硬件部分，包括系統(tǒng)總體電路圖、5V 電源輸入電路、AMS1117-3V3穩(wěn)壓電路、光照檢測電路、ZigBee 核心板CC2530、三極管驅(qū)動LED 電路、OLED12864屏幕電路、人體紅外傳感器電路、功能按鍵電路、UART 調(diào)試串口電路以及CCDEBUG 下載接口。

1.2 輸入電路

計算機(jī)USB 接口為5V 輸入，分別設(shè)計兩個濾波與蓄能的電容，可以起到穩(wěn)定電源的作用；設(shè)計一個電源指示燈，當(dāng)電源接通后指示燈常亮；此外，采用一個10kΩ 的電阻能起到限流的作用，通過指示燈的電流為0.5mA，二極管采用1N5819型，其通過電流上限為1A，該二極管可以保護(hù)電路。

1.3 電源穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓芯片型號為AMS1117-3V3，其輸入端為電腦USB 輸入的5V 電壓，輸出穩(wěn)定的3.3V 電壓供CC2530芯片使用，輸入、輸出端的電容為104，即0.1uF，作用是穩(wěn)壓和抗干擾，電容不消耗能量，但電路中的電容有一定的電阻，會消耗一小部分能量，但其儲能的作用遠(yuǎn)大于耗能。

1.4 光照度檢測電路

光敏電阻內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無關(guān)，可以使用直流電源，環(huán)氧樹脂膠封裝還具有可靠性好、體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、光譜特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。對于光敏電阻而言，光敏電阻隨光線變化阻值會發(fā)生變化。當(dāng)光敏電阻和一個10kΩ 電阻串聯(lián)，檢測到的ADC 值就是光敏電阻的分壓值，如果光線暗，光敏的阻值大，分壓就大，這樣測得的ADC值比較大，反過來測到的ADC 值就比較小。

1.5 調(diào)光電路

該系統(tǒng)的調(diào)光功能主要靠LED 燈實(shí)現(xiàn)，電路由LED、NPN 型三極管以及一個1kΩ 的電阻構(gòu)成，三極管采用SS8050型，其可通過的最大電流為1A，足夠LED 燈使用，當(dāng)三極管集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏時電路導(dǎo)通，當(dāng)三極管的集電極是高電平時，發(fā)射極是低電平時，如果基極是高電平，那么集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，LED 燈點(diǎn)亮，否則截止，LED 燈熄滅。因此，當(dāng)需要點(diǎn)燈的時候在基級施加高電平，當(dāng)需要熄滅燈的時候給基級施加低電平即可。電阻可以用來保護(hù)基級，防止三極管損壞。將調(diào)光電路接在CC2530芯片的P1.1接口，使用PWM 技術(shù)輸出脈沖寬度可以調(diào)的PWM 波，來調(diào)節(jié)燈光的亮度。

1.6 顯示電路

OLED 顯示是一種新型的顯示技術(shù)，能夠?qū)崟r顯示出所需要的信息，OLED12864屏幕是128×64行點(diǎn)陣的OLED 單色、字符、圖形顯示模塊。模塊內(nèi)具有64×64顯示數(shù)據(jù)RAM，本系統(tǒng)使用該屏幕顯示檢測到的光照強(qiáng)度、燈光等級以及自動或者手動模式，使檢測到的實(shí)時物理數(shù)據(jù)更直觀，更加方便使用者觀察。

1.7 人體紅外傳感器電路

傳感器的正常工作電壓在2.8～5.5V，因?yàn)镃C2530芯片的電壓選擇的是3.3V，所以給該傳感器同樣接3.3V 電壓，使二者高低電平保持一致，通過對其高低電平的讀取來判斷感知范圍內(nèi)的人員情況，若有人，則傳感器輸出高電平；若無人，則輸出低電平。

2 軟件設(shè)計

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)的軟件設(shè)計共分為兩部分，分別是ZigBee 發(fā)射端與ZigBee 接收端，實(shí)際上二者都是收發(fā)一體的。

首先進(jìn)行ZigBee 協(xié)調(diào)器的設(shè)計分析，程序設(shè)計如圖2所示，其主要的功能是控制終端上LED 的相關(guān)參數(shù)與模式，按鍵則實(shí)現(xiàn)鍵值的發(fā)送。協(xié)調(diào)器上電后首先進(jìn)行硬件初始化，包括GPIO、UART、TIMER、zstack 協(xié)議棧的初始化。然后判斷按鍵是否被按下，若按鍵被按下，那么發(fā)送對應(yīng)的鍵值給終端，發(fā)送成功后終端對該命令進(jìn)行執(zhí)行，若按鍵沒有被按下，則等待操作這一過程以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)ZigBee 協(xié)調(diào)器的無線控制功能[6]。

圖2 ZigBee 協(xié)調(diào)器流程圖

本次設(shè)計的智能照明系統(tǒng)的同時可以使用上位機(jī)控制，上位機(jī)采用UART 串口通信，通過串口將上位機(jī)的指令下發(fā)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將指令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的鍵值發(fā)送給終端，在使用上位機(jī)操作時，具體流程如下：先給協(xié)調(diào)器上電并進(jìn)行硬件初始化，若收到串口命令，則先對該命令進(jìn)行判斷，判斷其是否為控制命令，若是，則無線轉(zhuǎn)發(fā)控制命令，若沒有收到串口命令，則判斷同步時間，若同步時間到，把同步數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，然后把同步時間再復(fù)位。如果同步時間沒到，檢測是否收到無線數(shù)據(jù)，如果收到，緩存數(shù)據(jù)，上報上位機(jī)。如此則實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)控制ZigBee 協(xié)調(diào)器的功能[7-8]。

對ZigBee 終端進(jìn)行設(shè)計分析，程序設(shè)計如圖3所示，首先給終端上電，ZigBee 終端與ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后首先進(jìn)行ZigBee 協(xié)議棧初始化、UART 初始化、GPIO 初始化、PWM初始化以及TIMER 初始化，初始化完成之后判斷是否接收到無線數(shù)據(jù)，如果收到協(xié)調(diào)器命令則判斷命令是模式切換命令還是開關(guān)燈命令，若是模式切換命令，則在手動和自動模式之間進(jìn)行切換；若是開關(guān)燈命令，則在開燈與關(guān)燈之間切換。若沒有收到無線數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前模式是否為自動模式，若不是，則上報數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器；若是，則獲取光線值和人體感應(yīng)值，在有人和光線昏暗的情況下，執(zhí)行LED 調(diào)光，在無人或者獲取的光線值為亮的情況下不開燈。

圖3 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)是指可以直接發(fā)出操控命令的計算機(jī)，與下位機(jī)不同，下位機(jī)使用的是C 語言編寫的面向流程的程序，而上位機(jī)使用的是C++語言，是面向?qū)ο蟮摹Ｉ衔粰C(jī)流程圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)程序流程圖

3 結(jié)論

ZigBee 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無線控制的功能，根據(jù)需求分析設(shè)計，本系統(tǒng)具有光照強(qiáng)度檢測、顯示、處理和多重模式選擇的功能，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集，并將光照強(qiáng)度等物理信息數(shù)字化顯示，該系統(tǒng)有自動和手動模式兩種模式，自動模式中，燈光將根據(jù)系統(tǒng)檢測到的光照強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)燈，利用人體紅外傳感器判斷范圍內(nèi)是否有人，若有人且光照強(qiáng)度較低時，將自動開燈；若無人或者光照強(qiáng)度較高時，將自動關(guān)燈，且燈光共分為5個等級，級別越高，燈光越亮。手動模式中，可以通過按鈕調(diào)節(jié)燈光的亮滅以及亮度等級，從而使其設(shè)計更加人性化。