基于CC2530的校園智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊懷德

摘 要： 目前校園建設(shè)正朝著全面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，因此研究并開發(fā)一種校園智能照明系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。針對(duì)傳統(tǒng)的校園照明系統(tǒng)在節(jié)約能源和應(yīng)用靈活性方面存在的缺陷和不足，以CC2530為核心，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種既能夠節(jié)能又能靈活適應(yīng)校園文化活動(dòng)的智能照明系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： CC2530； 校園； 智能照明； 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）06-52-04

Abstract： At present， the campus construction is developing in the direction of comprehensive digitization， networking and intelligence， so it has important practical significance to research and develop a kind of campus intelligent lighting system. Aiming at the defects and deficiencies of traditional campus lighting system existed in energy saving and application flexibility， taking CC2530 as the core， combining Internet of Things with network communication technology， an intelligent lighting system is designed in this paper， the system is energy-saving and can adapt to campus cultural activities flexibly.

Key words： CC2530； campus； intelligent lighting； Internet of Things

0 引言

在剛剛過去的2015年，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模達(dá)到5000億元，從智能安防到智能電網(wǎng)，從二維碼普及到“智慧城市”落地，作為被寄予厚望的新興產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)正四處開花，悄然影響著人們的生活[1-3]。

在這一背景下，校園建設(shè)也迎來了新的契機(jī)，許多院校紛紛推出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園建設(shè)方案，這些方案雖然不盡相同，但都涉及到教室智能照明。

傳統(tǒng)的教室照明系統(tǒng)都是基于人工控制的，其存在兩方面的問題：一是能量浪費(fèi)的問題，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在教室里沒有人或人很少的情況下，教室里的燈仍舊常亮，導(dǎo)致了大量的能量浪費(fèi)；二是無法滿足新時(shí)代的校園活動(dòng)需求，許多校園興趣小組、團(tuán)體經(jīng)常需要在教室舉行一些小型活動(dòng)，會(huì)需要多種顏色的、不同亮度的燈光效果，而傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)無法滿足這一需求。

本文探討利用對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有著良好支持性的CC2530芯片，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能照明系統(tǒng)用于教室燈光控制。該系統(tǒng)能通過人體紅外模塊感知到燈附近的人體并自適應(yīng)的控制燈的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)不同顏色的燈光及亮度的控制，滿足了智慧校園建設(shè)對(duì)于教室照明系統(tǒng)的需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)平臺(tái)介紹

該系統(tǒng)采用德州儀器的CC2530為硬件平臺(tái)，CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256。其分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它特別適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗[4-5]。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在普通模式下，通過人體紅外模塊對(duì)照明燈附近的人體進(jìn)行感知，并結(jié)合采集到的當(dāng)時(shí)的光感信息，對(duì)相應(yīng)的繼電器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的開關(guān)控制。這一過程是一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用；在特殊模式下，通過手機(jī)來對(duì)效果燈進(jìn)行亮度和其他效果的控制，以適應(yīng)一些特殊場景的要求。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

教室智能照明系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由核心模塊、人體紅外模塊、光照度傳感模塊、燈光控制模塊、無線透傳模塊五個(gè)部分組成。在綜合考慮各硬件設(shè)備的穩(wěn)定性、功耗、價(jià)格燈參數(shù)后，本系統(tǒng)的主控板的核心芯片選取CC2530（256）型號(hào)，人體紅外模塊為HC-SR501，光感設(shè)備為森霸LBCETC1-60，繼電器模塊為松樂繼電器，無線透傳模塊為ESP8266。

核心模塊設(shè)計(jì)主要包括CC2530核心板及供電、時(shí)鐘等部分，其電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

人體感應(yīng)模塊的功能是對(duì)燈附近的人體進(jìn)行感應(yīng)，使用紅外傳感器判斷有沒有人。紅外傳感器探測(cè)到人體發(fā)出的紅外線后產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的輸出信號(hào)，通過P0_4傳送給CC2530進(jìn)行相應(yīng)處理，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

光照度信息傳感模塊的功能是采集教室光線亮度信息，選用光電傳感器來完成。光電傳感器一般可以分為兩類，即模擬式傳感器以及脈沖式傳感器[6-9]。模擬式傳感器的工作原理主要是基于光電器件的光電流隨光通量變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，這樣光電流就成為被測(cè)非電量的函數(shù)；脈沖式光電傳感器的作用原理是光電器件只能感知到光的有無兩個(gè)狀態(tài)，即光電器件受光時(shí)，無電信號(hào)輸出，本系統(tǒng)采用第二種光電傳感器。其電路圖如圖4所示。

燈光控制模塊的功能是控制燈的電源供給和效果燈的亮度、閃爍效果。其燈的電源供給控制的原理是根據(jù)繼電器的信號(hào)觸發(fā)端的輸入信號(hào)來決定是否給燈供電，其電路圖如圖5所示。而效果燈亮度和閃爍效果是通過CC2530內(nèi)部定時(shí)器模擬PWM來產(chǎn)生合適的脈沖作為效果燈的開關(guān)來達(dá)到控制效果。

無線透傳模塊的功能是提供主控板與手機(jī)之間進(jìn)行信息交互的接口，設(shè)備初始化成功后，可以讓設(shè)備及手機(jī)接入同一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，從而可以使主控設(shè)備很方便的接受手機(jī)端傳送過來的信息，進(jìn)而對(duì)燈光進(jìn)行相應(yīng)的控制。其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起著非常重要的作用。系統(tǒng)采用集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)“軟件設(shè)計(jì)盡量采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想、分段編程、分段調(diào)試；各個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，盡量使它們松散耦合，便于將來進(jìn)行維護(hù)和功能增強(qiáng)?？傊?，在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮了硬件的特性，控制流程簡潔精確，反應(yīng)靈敏，優(yōu)先級(jí)控制使用得當(dāng)，并且在軟件控制中充分發(fā)揮了中斷和定時(shí)功能，使整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)更加及時(shí)靈敏。

系統(tǒng)軟件由CC2530控制板和手機(jī)端應(yīng)用程序兩部分組成。控制板部分軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是實(shí)時(shí)采集光照度和人體紅外信息，一旦發(fā)現(xiàn)有人進(jìn)入照明區(qū)域，立即結(jié)合當(dāng)時(shí)光照度信息來決定是否設(shè)置相應(yīng)的繼電器進(jìn)行供電；二是對(duì)從WIFI透傳模塊接收到的信息進(jìn)行分析處理，并控制效果燈的效果。其程序流程圖如圖7所示。初始化階段需要對(duì)CC2530的相關(guān)GPIO斷開的功能選擇寄存器和方向寄存器進(jìn)行初始化，此外還需要對(duì)中斷寄存器、傳感模塊和無線透傳模塊進(jìn)行初始化，這些都初始化完成之后，最后打開系統(tǒng)全局中斷。中斷處理部分主要是對(duì)接收到的從手機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并對(duì)燈的效果進(jìn)行設(shè)置。人體紅外和光照信息的采集部分主要是根據(jù)傳感器的時(shí)序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

手機(jī)端程序功能是給用戶提供燈的效果控制的操作界面，并通過網(wǎng)絡(luò)給相應(yīng)的控制板發(fā)送命令。其程序流程圖如圖8所示。

2 結(jié)論及展望

本文著重研究了基于CC2530的教室智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架圖，并詳細(xì)討論了系統(tǒng)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方案。本文設(shè)計(jì)的照明控制系統(tǒng)適用于大多數(shù)校園的需求而且也為后續(xù)功能的開發(fā)和完善做了鋪墊。下一步將研究校園其他場所的照明控制，進(jìn)一步完善智慧校園建設(shè)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 賈志城，白建軍.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的圖書館智能照明系統(tǒng)設(shè)

計(jì)[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2014.4：76-79

[2] 王敏，武陽，王寧等.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

與實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015.S1.

[3] 張玉杰，翟楠.超市智能照明控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，

2014.22（11）.

[4] 魏立明，徐成波，林君.智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林建筑大

學(xué)學(xué)報(bào)，2014.31（2）：74-76

[5] 李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)

計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011.19（16）：108-111

[6] 王靚，朱瑞華.教學(xué)樓宇智能照明控制管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)

代電子技術(shù)，2015.24：97-99

[7] 李少雷.基于Zigbee技術(shù)的無線智能照明控制系統(tǒng)[J].電子

設(shè)計(jì)工程，2015.19：125-126

[8] 林展鵬，史濤，許錦標(biāo).基于PIC單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)

USB-DALI網(wǎng)關(guān)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014.27（5）：41-42

[9] 陳俊儒，趙偉，高耀宇.多功能智能照明系統(tǒng)[J].電子世界，

2014.16：491-491