智能家居燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 雪，崔曉梅，馬雪瀅，董玉華

（大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連116600）

0 引 言

近年來(lái)，節(jié)能減排、低碳環(huán)保日漸成為人們的集體呼聲，而與人們生產(chǎn)、生活密切相關(guān)的及時(shí)關(guān)燈以減少能量消耗也已成為時(shí)下社會(huì)關(guān)注度極高的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。但是，日常生活中為滿(mǎn)足各種照明需求安裝的大量燈具以及控制燈光的開(kāi)關(guān)分散不集中卻將對(duì)照明控制產(chǎn)生重大的影響。因此，以高效節(jié)能、管理簡(jiǎn)單、多重控制為優(yōu)點(diǎn)的智能家居燈光控制系統(tǒng)就已成為解決以上問(wèn)題的最好方法之一。

在有線(xiàn)家庭照明控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，布線(xiàn)不便，設(shè)備需要增加或減少。接線(xiàn)也存在安裝復(fù)雜、能耗大、工期長(zhǎng)、移動(dòng)困難、難度較高等缺點(diǎn)［1］。 因此，無(wú)論是考慮到構(gòu)建舒適的日常生活環(huán)境、還是節(jié)能問(wèn)題，智能照明的設(shè)計(jì)和研究都有著十足可觀的實(shí)際意義與價(jià)值［2］。而利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)可以克服以上種種缺點(diǎn)。本文對(duì)此將展開(kāi)研究論述如下。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了能夠達(dá)到智能控制燈光的目的，整個(gè)系統(tǒng)包括以下3部分：終端節(jié)點(diǎn)部分、控制中心部分、移動(dòng)終端部分。

其中，終端節(jié)點(diǎn)部分包括燈光亮度調(diào)節(jié)的PWM驅(qū)動(dòng)器，以及能夠從控制中心接收命令的無(wú)線(xiàn)通信電路?？刂浦行牟糠职ㄦI盤(pán)電路、與終端節(jié)點(diǎn)往來(lái)交互的無(wú)線(xiàn)通信以及與移動(dòng)終端往來(lái)交互的藍(lán)牙通信。一方面可以通過(guò)移動(dòng)終端的App發(fā)送命令給控制中心，控制中心通過(guò)藍(lán)牙接收命令，并將命令信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳輸至終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)控制燈光開(kāi)關(guān)亮暗的調(diào)節(jié)功能。另一方面，可以通過(guò)控制中心的按鍵來(lái)選擇對(duì)某一房間的燈光進(jìn)行控制。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 智能家居燈光控制系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of intelligent home lighting control system

2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)部分電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、燈光控制電路以及nRF24L01的無(wú)線(xiàn)通信電路。其中，單片機(jī)占據(jù)核心地位，指揮著整個(gè)系統(tǒng)的工作。單片機(jī)選擇STC89C52，是一款低功耗、8位CMOS微控制器，具有8 K可編程的Flash存儲(chǔ)器。其電路設(shè)計(jì)則如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of terminal node circuit

燈光作為設(shè)計(jì)中的控制對(duì)象，研究中選用了LED成為控制中心執(zhí)行控制作用的效果體現(xiàn)。系統(tǒng)只需提供寬和窄的數(shù)字脈沖，就可以通過(guò)改變輸出電流來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度，以此提供高質(zhì)量的白光，優(yōu)點(diǎn)是效率高、并且應(yīng)用簡(jiǎn)單［3］。當(dāng)PWM信號(hào)改變LED的亮度時(shí)，信號(hào)的頻率恒定不變，改變的是LED的導(dǎo)通時(shí)間，也就是脈沖的高電平時(shí)間。該信號(hào)調(diào)整亮度等于調(diào)整平均LED電流，所以電流會(huì)改變。

終端節(jié)點(diǎn)與控制中心的無(wú)線(xiàn)通信選擇工作于2.4 G射頻頻段的nRF24L01。 nRF24L01體積小、功耗低，與WiFi相比，傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，但傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量在低功耗模式和空閑模式時(shí)卻比WiFi更小，這就使得設(shè)計(jì)上更容易做到節(jié)能［4］。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行nRF24L01的初始化，再初始化定時(shí)器，模擬輸出四路PWM信號(hào)設(shè)置占空比，定初值為100，再讀數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖區(qū)，此時(shí)判斷是否有數(shù)據(jù)，如若有數(shù)據(jù)進(jìn)一步解析指令修改PWM占空比，LED有閃爍信號(hào)即表示修改成功，如若沒(méi)有數(shù)據(jù)再重新回到nRF24L01處等待接收新數(shù)據(jù)，整體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.3 Flow chart of terminal node

3 控制中心部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制中心硬件電路設(shè)計(jì)

除單片機(jī)最小系統(tǒng)外，控制中心部分還包括無(wú)線(xiàn)通信部分、藍(lán)牙部分和鍵盤(pán)電路部分。無(wú)線(xiàn)通信部分仍選擇nRF24L01。一般情況下，藍(lán)牙的通信距離在10 m以?xún)?nèi)，可以支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多通信，具有讓移動(dòng)終端、如手機(jī)等外設(shè)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的功能。藍(lán)牙比其它系統(tǒng)更加穩(wěn)定，因而可將其作為替代數(shù)據(jù)電纜的長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的工具載體［5］。在本次設(shè)計(jì)中，即將其用于接收來(lái)自移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)，藍(lán)牙RX端連接單片機(jī)TXD端，TX端連接單片機(jī)RXD端。鍵盤(pán)電路用來(lái)使用戶(hù)直接控制燈的開(kāi)關(guān)和亮暗。單擊為開(kāi)或者關(guān)，長(zhǎng)按為調(diào)節(jié)亮暗模式。

圖4 控制中心電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of control center circuit

3.2 控制中心程序設(shè)計(jì)

此部分為聯(lián)系nRF24L01、鍵盤(pán)與藍(lán)牙部分設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到與移動(dòng)終端和終端節(jié)點(diǎn)通信的目的。首先，初始化串口與nRF24L01，然后掃描按鍵，判斷是否有數(shù)據(jù)，再判斷數(shù)據(jù)為短按、還是長(zhǎng)按，短按即開(kāi)關(guān)燈，長(zhǎng)按即調(diào)燈亮暗，如果按鍵沒(méi)有數(shù)據(jù)，接收來(lái)自藍(lán)牙移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)，再次判斷是否有數(shù)據(jù)，若為“是”即做出相應(yīng)修改，若沒(méi)有數(shù)據(jù)再重新接收，直到接到新的數(shù)據(jù)。綜上設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

4 移動(dòng)終端部分

4.1 初始界面設(shè)計(jì)

初始界面中主要是移動(dòng)終端連接和配對(duì)藍(lán)牙設(shè)備，首先初始化界面，配置參數(shù)，初始化藍(lán)牙，再檢查權(quán)限，判斷安卓版本是否大于6.0，然后讀取系統(tǒng)與藍(lán)牙配對(duì)數(shù)據(jù)，可點(diǎn)擊刷新直至出現(xiàn)可操作的配對(duì)項(xiàng)，點(diǎn)擊即可跳轉(zhuǎn)到控制頁(yè)面對(duì)燈光進(jìn)行控制［6］。研究可得設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖5 控制中心程序設(shè)計(jì)Fig.5 Main program design of control center

圖6 初始界面設(shè)計(jì)Fig.6 Initial interface design

4.2 控制界面設(shè)計(jì)

控制界面中設(shè)置了4盞燈，頁(yè)面共有4個(gè)滑動(dòng)條數(shù)據(jù)，每個(gè)滑動(dòng)條控制一盞燈，0%為關(guān)閉，100%為最亮。接收到界面滑動(dòng)條數(shù)據(jù)后，判斷是否有數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)設(shè)置到占空比，再向藍(lán)牙模塊發(fā)送控制信息［7］。設(shè)計(jì)流程如圖7所示。控制界面如圖8所示。

圖7 控制界面設(shè)計(jì)Fig.7 Control interface design

圖8 控制界面圖Fig.8 Control interface diagram

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將終端節(jié)點(diǎn)部分、控制中心部分和移動(dòng)終端結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈光的智能調(diào)節(jié)。有線(xiàn)LED家庭照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于布線(xiàn)和安裝復(fù)雜，移動(dòng)性和可擴(kuò)展性欠佳，安裝和維護(hù)成本高等。本文設(shè)計(jì)出易于使用、高度可擴(kuò)展以及用戶(hù)友好的界面。LED照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程多功能控制將提高家庭、辦公樓等等、即所有需要燈光的各個(gè)場(chǎng)所的便利性和應(yīng)用性，提高管理效率，可以根據(jù)應(yīng)用和規(guī)模，靈活地搭配和組合。該應(yīng)用及其設(shè)計(jì)方法和概念也可以擴(kuò)展到其它智能家居產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，并可以推廣到移動(dòng)終端應(yīng)用的新領(lǐng)域。