基于網(wǎng)絡(luò)通信的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

厲炎均

棗莊市中醫(yī)醫(yī)院，山東 棗莊 277000

0 引言

隨著社會(huì)科技的發(fā)展，目前借助科技手段可以使智能化家電和手機(jī)、計(jì)算機(jī)等終端實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信，促進(jìn)智能家居的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)通信智能照明系統(tǒng)可集成微型控制器與無(wú)線傳感器設(shè)置智能燈具，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)智能化家居管理，還能為人們提供環(huán)保節(jié)能的照明環(huán)境。

1 智能照明系統(tǒng)需求分析

某辦公樓由鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成，共3層，第1層是控制間與實(shí)驗(yàn)室，為操作人員與試驗(yàn)人員的工作區(qū)域；第2層為設(shè)備層，放置控制柜、空調(diào)機(jī)體、空壓機(jī)設(shè)備等，人員較少；第3層為辦公區(qū)與實(shí)驗(yàn)室。該辦公樓的照明設(shè)備較為分散，為了保證燈具的有效控制，設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)需求如下：（1）人員走進(jìn)工作區(qū)域需開啟全部照明設(shè)備；（2）對(duì)于開放式辦公區(qū)，由于和窗戶距離較近，光線充足，將照明設(shè)備光照強(qiáng)度調(diào)低，窗戶距離較遠(yuǎn)位置光線不足，應(yīng)調(diào)高設(shè)備光照強(qiáng)度；（3）對(duì)于茶水間、雜物間、打印室等場(chǎng)所，為了便于員工使用，照明設(shè)備為常亮狀態(tài)，會(huì)加大電能損耗，可采取敏感調(diào)節(jié)方式，無(wú)人時(shí)關(guān)閉照明設(shè)備，有人員活動(dòng)及亮度不足時(shí)，開啟照明設(shè)備[1]；（4）工作結(jié)束關(guān)閉全部照明設(shè)備，調(diào)節(jié)不同場(chǎng)景的設(shè)備亮度，否則會(huì)造成能源浪費(fèi)，影響員工的工作效率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

應(yīng)用網(wǎng)卡芯片ENC28J60用戶能夠在MCU上通過(guò)RS232擴(kuò)展以太網(wǎng)，進(jìn)而根據(jù)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)卡芯片和主控制器通信，主要是利用RS232接口與中斷引腳實(shí)現(xiàn)，提供內(nèi)部DMA模塊，迅速吞吐數(shù)據(jù)，支持硬件及IP校驗(yàn)計(jì)算，通信最高速度約為10 Mb/s。專用引腳與LED連接后，網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)會(huì)亮起指示燈，網(wǎng)卡芯片具有接收器能夠接收、過(guò)濾具有廣播、組播、單播地址的數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)字段中，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度能夠在1 500字節(jié)范圍內(nèi)進(jìn)行變換，超出該范圍則違反以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)被節(jié)點(diǎn)丟棄[2]。網(wǎng)卡芯片如果設(shè)置巨大幀設(shè)置位是1，即可接收與發(fā)送大規(guī)模數(shù)據(jù)；填充數(shù)據(jù)字段中，只有數(shù)據(jù)字段不超過(guò)46字節(jié)方能達(dá)到填充效果，網(wǎng)卡芯片數(shù)據(jù)包發(fā)送中，自動(dòng)填充為0，接收時(shí)數(shù)據(jù)包低于18字節(jié)自動(dòng)拒絕。在CRC部位，網(wǎng)卡芯片數(shù)據(jù)包接收中，會(huì)對(duì)傳入CRC進(jìn)行逐一檢查，判斷數(shù)據(jù)是否正確，發(fā)送數(shù)據(jù)包也會(huì)生成有效CRC，便于接收方檢查。

2.2 控制模塊

采用芯片CC2530，兼容8051內(nèi)核，帶有AD轉(zhuǎn)換電路，支持網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。系統(tǒng)中路由器、控制器、終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，均需搭載該芯片。該芯片傳輸數(shù)據(jù)效率更高，支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳輸距離更遠(yuǎn)、覆蓋面積更廣。在網(wǎng)絡(luò)通信中，需應(yīng)用傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路，簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。

2.3 終端節(jié)點(diǎn)模塊

為了更加貼近使用場(chǎng)景，借助LM258與LM224運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)輸入電壓處于0～10 V的調(diào)光接口電路，網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收信號(hào)后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算可生成對(duì)應(yīng)PWM占空比脈沖信號(hào)，輸出值調(diào)光接口電路引腳位置，以控制LED燈具。LED簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)電流方式，是改變LED串聯(lián)的負(fù)載電流，檢測(cè)電阻，通過(guò)DC/DC恒流控制芯片，檢測(cè)電流接口，以保證檢測(cè)電壓及芯片參考電壓比恒定控制電流[3-4]。此過(guò)程中，考慮功耗問(wèn)題，選擇檢測(cè)電流電阻較小，則難以實(shí)現(xiàn)控制，可直接更改采樣電壓，通過(guò)設(shè)置LM224A電壓進(jìn)行輸出電流設(shè)置，完成LED驅(qū)動(dòng)電源調(diào)光。

2.4 調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊

照度采集作為智能照明系統(tǒng)的核心，是控制器調(diào)控節(jié)點(diǎn)的依據(jù)，要求節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確采集照度值，反饋信息至控制器，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。該設(shè)計(jì)選用照度傳感器BH1750為核心采集模塊，其使用兩線式串行總線接口集成電路，分辨率高，無(wú)須外部插件，可直接測(cè)量環(huán)境光強(qiáng)度，運(yùn)行穩(wěn)定、功耗小。傳感器內(nèi)部有PD，靈敏度高，借助光學(xué)窗口外部光線射入內(nèi)部，二極管會(huì)生成反向電流，經(jīng)過(guò)集成運(yùn)算放大器與負(fù)載，向電壓轉(zhuǎn)換，進(jìn)而轉(zhuǎn)換電信號(hào)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，輸出光強(qiáng)度結(jié)果。傳感器原理圖如圖1所示。

圖1 傳感器原理圖

檢測(cè)光參數(shù)與其他指標(biāo)不同，光靈敏度較高，易受其他因素干擾，為傳感器設(shè)置特殊光學(xué)窗口，外部光線射入內(nèi)部時(shí)，可通過(guò)測(cè)試寄存器，以達(dá)到實(shí)際測(cè)量要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PC端上位機(jī)

上位機(jī)可在平臺(tái)中使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，為PC端控制程序，從而利用軟件控制照明節(jié)點(diǎn)，為人員提供自動(dòng)、手動(dòng)兩種燈光控制模式，相關(guān)人員可自行選擇燈光亮度，同時(shí)界面會(huì)展現(xiàn)燈光現(xiàn)有調(diào)節(jié)模式、光環(huán)境參數(shù)等。開啟PC端軟件后，先串口通信組件初始化，能夠接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，連續(xù)輸入上報(bào)數(shù)據(jù)，上位機(jī)則結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)Lab值進(jìn)行持續(xù)更新，使頁(yè)面展現(xiàn)最新數(shù)據(jù)。此外，需清除緩存串口數(shù)據(jù)，避免占用過(guò)多系統(tǒng)空間。上位機(jī)需通過(guò)判斷界面指令，確定指令類型，為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，如選擇燈光亮度、控制燈光模式等。

實(shí)際程序運(yùn)行中，上位機(jī)初始化串口組件時(shí)，需設(shè)置默認(rèn)參數(shù)，包含數(shù)據(jù)位、串口號(hào)、波特率，向系統(tǒng)申請(qǐng)緩存4 000字節(jié)用于串口數(shù)據(jù)緩存，屏幕按鍵是不同類型數(shù)據(jù)，每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)函數(shù)不同，據(jù)此發(fā)放不同指令至控制器。

3.2 模塊通信流程

在模塊通信連接中，選用W5500芯片，直接用模塊開發(fā)項(xiàng)目，可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸。在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置軟件參數(shù)，選擇串口波特率，更改模塊控制器，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置，即可完成參數(shù)配置。控制器作為模塊通信重要環(huán)節(jié)，能夠維護(hù)局域網(wǎng)絡(luò)，為新接入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，分配相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)地址，按下復(fù)位鍵后，即可觸發(fā)事件，讀取設(shè)備是否是控制器，確定后以控制器身份啟動(dòng)，設(shè)置系統(tǒng)自啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)位重啟，構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)后，操作系統(tǒng)初始化，根據(jù)照明需求分配任務(wù)事件后，系統(tǒng)執(zhí)行指令，對(duì)設(shè)備硬件初始化，掃描現(xiàn)有任務(wù)狀態(tài)，等待連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)接入后，控制器會(huì)發(fā)起組網(wǎng)響應(yīng)，分配網(wǎng)絡(luò)地址，成功組網(wǎng)后控制器能夠掃描事件狀態(tài)，采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，即可調(diào)用函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理。

終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)類似于控制器啟動(dòng)，檢測(cè)自身為終端設(shè)備，會(huì)以終端設(shè)備方式自動(dòng)啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)一系列初始化設(shè)置，掃描附近網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送請(qǐng)求至控制器，添加局域網(wǎng)即可開始傳輸數(shù)據(jù)，做到終端節(jié)點(diǎn)與控制器網(wǎng)絡(luò)通信。還可利用串口調(diào)試軟件，設(shè)置通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，控制器主機(jī)發(fā)送“HELLO”后，從機(jī)能接收“HELLO”，從機(jī)發(fā)送信息至主機(jī)，主機(jī)也能接收信息。

3.3 調(diào)光程序設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)調(diào)光應(yīng)用PWM措施，光照傳感器能夠轉(zhuǎn)換光信號(hào)為電信號(hào)，利用模塊ADC轉(zhuǎn)化模擬量為數(shù)字信號(hào)輸出出去，采集照度節(jié)點(diǎn)CC2530模塊，獲取照度信息發(fā)送數(shù)據(jù)至控制器節(jié)點(diǎn)?？刂破魇盏秸斩戎岛螅葘?duì)預(yù)先設(shè)置閾值，如果其結(jié)果不同則發(fā)送調(diào)光指令至照明節(jié)點(diǎn)，生成調(diào)光脈沖信號(hào)，輸入信號(hào)至調(diào)光接口，可實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光，形成完整流程。該過(guò)程需重復(fù)多次，通過(guò)多次對(duì)比保證采集照度節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)與閾值相同，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)送調(diào)光指令至照明節(jié)點(diǎn)，維持照明狀態(tài)，直至環(huán)境產(chǎn)生變化，重復(fù)上述流程。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在智能照明系統(tǒng)中，利用網(wǎng)絡(luò)通信方式接收傳輸指令，底層照明設(shè)備控制器轉(zhuǎn)發(fā)信息，計(jì)算處理控制命令，實(shí)現(xiàn)LED燈具亮度調(diào)節(jié)。安裝軟件至計(jì)算機(jī)，連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)功能。具體如下。

（1）用戶登錄。打開軟件，輸入郵箱、密碼、用戶名注冊(cè)，成功后登錄賬號(hào)開始測(cè)試，發(fā)現(xiàn)輸入不正確信息會(huì)出現(xiàn)提示，顯示登錄不成功，輸入正確信息可進(jìn)入系統(tǒng)，彈出照明調(diào)節(jié)提示框，符合預(yù)期結(jié)果。

（2）配網(wǎng)功能?？截愓_代碼，開關(guān)打開后指示燈為藍(lán)色，登錄界面點(diǎn)擊按鈕掃描，建立系統(tǒng)連接，使得計(jì)算機(jī)以照明設(shè)備產(chǎn)生數(shù)據(jù)包交換信息，結(jié)果顯示能夠掃描到系統(tǒng)信息，展示燈泡圖標(biāo)。

（3）燈光調(diào)節(jié)。在智能照明系統(tǒng)中，結(jié)合不同場(chǎng)景選擇顏色、開關(guān)與亮度，以計(jì)算機(jī)控制設(shè)備變化，接入網(wǎng)絡(luò)后，點(diǎn)擊燈泡圖標(biāo)進(jìn)入界面，即可調(diào)節(jié)照明設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章以網(wǎng)絡(luò)通信為核心設(shè)計(jì)了一種智能照明系統(tǒng)，可控制照明節(jié)電，利用照度傳感器對(duì)各區(qū)域照度信息加以采集，獲取照明實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用L224芯片設(shè)置調(diào)光接口，實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光，以解決傳統(tǒng)調(diào)光效率低、耗能高的問(wèn)題，該系統(tǒng)具有布置簡(jiǎn)單、高效節(jié)能的特點(diǎn)。