基于智能手機(jī)的照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳承義，黃鶯

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616)

目前，管理公共場所照明設(shè)備大多數(shù)采用的是傳統(tǒng)的普通開關(guān)，存在操作不便、不能自動控制的缺點(diǎn)，極易造成資源的浪費(fèi)。由于缺少自動控制，燈泡長明的浪費(fèi)現(xiàn)象普遍存在，由此也會出現(xiàn)燈泡易燒壞，壽命短，浪費(fèi)資源的現(xiàn)象，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而且采用有線方式控制照明系統(tǒng)，具有施工量大、布線麻煩、安裝成本高、不易維護(hù)和可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)［1］。無線控制的照明系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)上述不足，它安裝成本低、布線簡單、突破實(shí)質(zhì)問題上的限制［1］，無線控制方式將成為未來的趨勢。

考慮到智能手機(jī)的普及和便攜性，因此，開發(fā)一款基于智能手機(jī)的統(tǒng)一控制和遠(yuǎn)程控制照明設(shè)備系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)照明控制系統(tǒng)的功能需求，借鑒并改進(jìn)原有類似產(chǎn)品，下面闡述一種基于智能手機(jī)照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，目標(biāo)是能夠完成遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制開關(guān)照明設(shè)備。

1 總體設(shè)計(jì)和工作原理

根據(jù)照明控制系統(tǒng)功能需求，基于智能手機(jī)照明控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)包括電源模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、單片機(jī)模塊、繼電器模塊以及照明設(shè)備，上位機(jī)由智能手機(jī)和設(shè)置軟件組成，如圖1所示。

下位機(jī)主要是控制照明設(shè)備的開或關(guān)，可以聯(lián)網(wǎng)工作，也可脫網(wǎng)工作。使用前需要通過設(shè)置軟件設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，比如IP地址、端口號、定時(shí)工作模式和外部輸入控制關(guān)聯(lián)模式等信息。如果設(shè)置了定時(shí)工作模式，當(dāng)時(shí)間到達(dá)后，單片機(jī)自動發(fā)送相應(yīng)的命令控制繼電器電路通斷，實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的定時(shí)開關(guān);如果設(shè)置外部輸入控制關(guān)聯(lián)模式，則照明設(shè)備的開關(guān)可由外部的傳感器電路的信號觸發(fā)控制。如果下位機(jī)工作于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，則需要在智能手機(jī)上安裝APK軟件，設(shè)置好對應(yīng)的IP地址、端口號后連接網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)網(wǎng)成功后可通過手機(jī)軟件的按鈕去控制照明設(shè)備的開關(guān)。手機(jī)可通過GPRS或者WIFI方式進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電源模塊通過220 V/20 V變壓器，經(jīng)過整流電路后，接入穩(wěn)壓芯片LM7812輸出+12 V，供電給繼電器模塊，再經(jīng)過LM7805輸出+5 V電壓供給傳感器電路、單片機(jī)模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊等，電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖

單片機(jī)模塊采用的是STC公司的IAP15F2K61S2，支持ISP/IAP功能，速度快、具有61 kB片內(nèi)FLASH程序存儲器，2 048 B的SRAM，大容量EEPROM，內(nèi)部時(shí)鐘頻率從5 MHz～35 MHz，各種接口齊全，方便擴(kuò)展。

網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用的是microchip公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口控制器ENC28J60，其接口符合兼容IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置DMA模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速收發(fā);通過SPI接口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，支持查詢方式和中斷方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到10 Mb/s的速率，并有專用的LED連接用于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示［2］，具體電路如圖3所示。OSC1和OSC2間外接25 MHz的晶振;差分輸入TPIN+/TPIN－間加一個(gè)1∶1脈沖實(shí)現(xiàn)，差分輸出TPOUT+/TPOUT－提供一個(gè)1∶1脈沖變壓器，每一部分需加2個(gè)50 Ω(1%)的電阻和0.01 μF的電容串聯(lián)后接地，RJ45接口采用HR910005A，具體如圖4所示;RBIAS接一個(gè)2.7 kΩ的偏置電阻;Vcap和Vss間接一個(gè)10 μF的電容以保證電路的穩(wěn)定性，LEDA和LEDB外接LED燈［2］。

繼電器模塊采用的是G2R－14－DC5型號，可以實(shí)現(xiàn)八路繼電器控制。單片機(jī)通過74HC595控制NLN2803芯片，從而去控制繼電器電路的通斷。具體電路如圖5所示。

傳感器電路模塊需要具有開關(guān)特性，即電路輸出是數(shù)字量電信號(高電平或低電平)，以光敏電阻為例。光敏電阻模塊對環(huán)境光強(qiáng)最敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境的亮度和光強(qiáng)。在無光條件或者光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，VOUT輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境光強(qiáng)超過設(shè)定閾值時(shí)，模塊VOUT輸出低電平;通過單片機(jī)來檢測VOUT端高低電平，驅(qū)動繼電器模塊通斷照明設(shè)備，如圖6所示。調(diào)整R7可調(diào)電阻改變IN端的輸出電壓，可以改變靈敏度。

圖3 網(wǎng)絡(luò)控制器電路圖

圖4 RJ45接口電路圖

圖5 繼電器模塊電路圖

圖6 傳感器模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為兩部分，一部份是下位機(jī)程序，另一部份是安裝到智能手機(jī)的上位機(jī)控制軟件和PC機(jī)上的設(shè)置軟件。

下位機(jī)程序功能主要有:(1)接受通過網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，如IP地址、端口號、定時(shí)工作模式和外部輸入控制關(guān)聯(lián)模式等功能;(2)接受智能手機(jī)通過GPRS/WIFI發(fā)送的命令;(3)解析智能手機(jī)的命令，然后向繼電器模塊發(fā)送斷開或閉合指令;(4)檢測外部輸入傳感器電路接入的電平，以實(shí)現(xiàn)對繼電器的控制;(5)定時(shí)功能等。所有程序都采用模塊化設(shè)計(jì)，采用C語言編程，方便移植，具體工作流程如圖7所示。

上位機(jī)是在Eclipse開發(fā)軟件下結(jié)合SDK進(jìn)行開發(fā)的。上位機(jī)監(jiān)控軟件主要有網(wǎng)絡(luò)連接、按鈕控制、屬性修改等功能。

網(wǎng)絡(luò)連接功能需要打開網(wǎng)絡(luò)連接、填寫IP地址和端口號，如果網(wǎng)絡(luò)連接未打開，則提示先打開網(wǎng)絡(luò)連接，否則需要先獲取到IP地址和端口號，然后通過網(wǎng)絡(luò)向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的連接命令，下位機(jī)接收到此連接命令后返回一個(gè)數(shù)值，上位機(jī)根據(jù)數(shù)值判定連接是否成功。連接成功后點(diǎn)擊上位機(jī)監(jiān)控軟件中的按鈕，通過網(wǎng)絡(luò)向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制命令，下位機(jī)接收到控制命令并解析后向繼電器電路發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對照明設(shè)備的控制，并向上位機(jī)返回狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。上位機(jī)根據(jù)收到下位機(jī)返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，按鈕會顯示相應(yīng)的顏色，如果照明設(shè)備處于打開狀態(tài)，會顯示綠色，否則顯示紅色，具體工作流程如圖8所示。

圖7 下位機(jī)工作流程圖

圖8 上位機(jī)工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

在進(jìn)行測試時(shí)，使用下載線把下位機(jī)程序下載至下位機(jī)單片機(jī)中，然后在PC機(jī)上通過設(shè)置軟件IP地址、端口號、定時(shí)工作模式和外部輸入控制關(guān)聯(lián)模式等參數(shù)，在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)和脫網(wǎng)狀態(tài)下對照明控制系統(tǒng)進(jìn)行測試。在測試之前，需要把設(shè)計(jì)好的光敏傳感器模塊接入單片機(jī)，把照明設(shè)備接入繼電器模塊輸出端子上，確認(rèn)連接正確后通電測試，具體測試結(jié)果如表1所示。

表1 照明控制系統(tǒng)測試情況表

5 結(jié)論

該系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對照明設(shè)備的遠(yuǎn)程自動控制，提高照明控制的智能化程度，突破空間限制，體現(xiàn)人性化和智能化，系統(tǒng)具有較好地可靠性和維護(hù)性。該測試系統(tǒng)已用于家庭照明設(shè)備的控制，實(shí)際應(yīng)用表明該測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好，能改善照明的工作環(huán)境，提高工作效率，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］毛海明.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州:杭州電子科技大學(xué)，2013.

［2］周曉陽，程紅，張曉媛.新型以太網(wǎng)控制器ENC28J60及其接口技術(shù)［J］.單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用，2006，8:34－36.

［3］魏立明，徐成波，林君.智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，31(2):74－76.

［4］陸建敏.光敏傳感器的應(yīng)用——聲光控開關(guān)電路［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2012，18:36－39.

［5］姜先申，劉震，于繼濤.一種非接觸式電容感應(yīng)開關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，21:196－198.

［6］陳文星，付繼宗，魏建英.基于BISS0001信號放大電路的人體紅外感應(yīng)開關(guān)設(shè)計(jì)［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2013，26(2):66－68.