汪為，楊濤，田寶森，熊艷

　　（長江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

　　摘要：從照明人性化、個性化及智能化的需求入手，提出了集合光控、紅外感應(yīng)、實(shí)時信息監(jiān)控、照度分級于一體的基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能白光LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)合紅外傳感模塊、光敏傳感模塊、ZigBee無線傳輸單元等對燈光系統(tǒng)進(jìn)行多路控制以實(shí)現(xiàn)白光LED的亮度分級，同時對周圍環(huán)境的溫濕度以及氣體是否異常進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了兼具聲控、外部照度分級光控、紅外感應(yīng)控制、紅外遙控調(diào)光、物聯(lián)網(wǎng)控制且實(shí)時監(jiān)測環(huán)境信息的多功能白光LED智能照明系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：智能照明；分級調(diào)控；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee

0引言

　　隨著一系列先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越注重?cái)?shù)字化家居的實(shí)現(xiàn)。智能化照明技術(shù)能大大促進(jìn)數(shù)字化家居的發(fā)展，且能進(jìn)一步融合個性需求，優(yōu)化照明環(huán)境，與此同時，智能照明技術(shù)不僅操作簡單，而且更加便于管理，有利于更好地節(jié)省人力、財(cái)力資源。LED智能照明系統(tǒng)因其節(jié)能、環(huán)保、自動化的特點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用［1］ 。目前，大多數(shù)LED智能照明系統(tǒng)的控制采用聲控、光控、聲光控為主，但燈具的亮度為一恒定值，在一定程度上造成了能源的浪費(fèi)，同時減少了燈具的使用壽命［2］。本文從照明人性化、個性化及智能化的需求入手，提出了集合光控、紅外感應(yīng)、實(shí)時信息監(jiān)控、照度分級于一體并基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能白光LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)合紅外傳感模塊、光敏傳感模塊、ZigBee無線傳輸單元等對燈光系統(tǒng)進(jìn)行多路控制以實(shí)現(xiàn)白光LED的亮度分級，同時對周圍環(huán)境的溫濕度以及氣體是否異常進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，獲得了兼具聲控、外部照度分級光控、紅外感應(yīng)控制、紅外遙控調(diào)光、物聯(lián)網(wǎng)控制且實(shí)時監(jiān)測環(huán)境信息的多功能白光LED智能照明系統(tǒng)。

1總體設(shè)計(jì)

　　該測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由紅外感應(yīng)器、光敏傳感器、控制器［3］、照明裝置、電源裝置、物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)［45］、用戶終端［6］、溫濕度傳感器和氣體傳感器組成。紅外感應(yīng)器、光敏傳感器、電源裝置的輸出端分別與控制器的輸入端連接，控制器的輸出端與照明裝置的輸入端連接。該系統(tǒng)由各個傳感器接收信號并由控制器進(jìn)行處理，可通過物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)對燈具及周圍環(huán)境的信息進(jìn)行監(jiān)控。紅外感應(yīng)器用于采集外界的紅外線強(qiáng)度并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器；光敏傳感器用于采集外界的光照強(qiáng)度并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器；控制器用于對接收的紅外線強(qiáng)度及光照強(qiáng)度進(jìn)行分析并控制所述照明裝置的開關(guān)及光照強(qiáng)度；電源裝置用于給整個裝置提供輸出電壓，物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)主要是將燈具的工作狀態(tài)以及外部環(huán)境的溫濕度和氣體是否異常傳到用戶終端，用戶終端將信息顯示出來便于人們對燈具進(jìn)行控制。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

　?。?）當(dāng)使用者進(jìn)入紅外感應(yīng)的范圍時，若監(jiān)測環(huán)境照度小于預(yù)設(shè)照度，此時，燈具就會進(jìn)行照度補(bǔ)償，使環(huán)境照度達(dá)到預(yù)設(shè)值；若此時的環(huán)境照度大于或等于燈具的預(yù)設(shè)值，則燈具不亮。

　?。?）可以通過電腦連接ZigBee中心節(jié)點(diǎn)或用手機(jī)連接WiFi對燈具的運(yùn)行情況和環(huán)境的溫濕度以及周圍氣體是否異常進(jìn)行監(jiān)控。

　?。?）可根據(jù)用戶需要用紅外遙控器對預(yù)設(shè)照度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2智能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1光敏傳感模塊的設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)階段來看，大多數(shù)測光系統(tǒng)的光強(qiáng)采集原件為光電池或光電三極管，其中包括信號放大電路、AD轉(zhuǎn)換等，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度較高。而高級的測光系統(tǒng)更需要多檔放大電路實(shí)現(xiàn)大量程測光，這些電路增加了系統(tǒng)的能耗和靈活度，且易受到非可見光的干擾。

　　本設(shè)計(jì)采用單片測光芯片BH1750作為光敏傳感器，測量范圍為1~65 536 lx,完全滿足一般環(huán)境下的量程范圍的照度。它是具有優(yōu)良光譜靈敏度特性、16 bit串行輸出的單片數(shù)字照度傳感器。在具體設(shè)計(jì)過程中，主要通過I2C（Inter Integrated Circuit ）通信接口讀取BH1750采集到的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用戶要求的形式將數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上呈現(xiàn)出來。

　　另外，BH1750芯片只需3個I/O口就可以與單片機(jī)進(jìn)行通信，極大地減少了單片機(jī)上I/O口的使用數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，且測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

　　2.2紅外遙控調(diào)光的設(shè)計(jì)

　　紅外遙控調(diào)光是該智能照明系統(tǒng)重要的功能之一，在遙控信號發(fā)射部分采用38 kHz的信號作為載波對各個按鍵按下所產(chǎn)生的信號調(diào)制后進(jìn)行發(fā)射，通過紅外接收管接收之后將信號傳遞給單片機(jī)處理，從而達(dá)到調(diào)光的目的。如圖1所示，可通過紅外遙控器手動設(shè)定照明裝置的照度值，控制器根據(jù)設(shè)定的光照強(qiáng)度值與環(huán)境照度值的差異調(diào)節(jié)輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對照明裝置照度的控制。紅外遙控調(diào)光方式分為兩種，一種是利用紅外遙控器自行設(shè)定照度值，另一種分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)，粗調(diào)是每按一下按鍵照度值加減50 lx，細(xì)調(diào)是每按一下按鍵照度值加減1 lx，這樣的調(diào)光方式，方便了用戶對周圍環(huán)境亮度的控制，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。

　　2.3燈具驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

　　燈具驅(qū)動電路如圖2所示。其主要利用PCF8591芯片通過集成電路總線I2C（Inter Integrated Circuit ）通信接口讀取單片機(jī)輸出的數(shù)字信號（0~255）并轉(zhuǎn)化為模擬電壓，再將電壓進(jìn)行放大后作用于燈具，從而達(dá)到調(diào)光的目的。

　　2.4物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)及用戶終端的建立

　　本照度分級的智能照明系統(tǒng)主要采用Socket通信協(xié)議。如圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖所示，物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)7包括物聯(lián)網(wǎng)終端71和物聯(lián)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)72，物聯(lián)網(wǎng)終端與物聯(lián)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)無線連接，電腦通過串口與物聯(lián)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)連接，該中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送電磁波控制物聯(lián)網(wǎng)終端，從而監(jiān)控照明裝置的運(yùn)行情況和測試環(huán)境氣體是否異常，另外，手機(jī)客戶端也可以通過WiFi與物聯(lián)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程連接來控制燈具的運(yùn)行情況和監(jiān)測環(huán)境氣體是否異常。如圖3所示為電腦和手機(jī)上無線管理系統(tǒng)圖中電腦和手機(jī)的界面顯示。

3智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1照度分級的設(shè)計(jì)

　　本智能照明系統(tǒng)主要采用C#語言編程［7］，通過控制單片機(jī)上串口的高低電平來實(shí)現(xiàn)對燈具的控制，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。首先，在單片機(jī)初始化的過程中將會讀取預(yù)設(shè)的照度值，然后通過光敏傳感器檢測環(huán)境的亮度是否比預(yù)設(shè)照度小，只有在環(huán)境照度低于預(yù)設(shè)值且有紅外感應(yīng)的情況下，LED燈具才發(fā)光，進(jìn)行照度補(bǔ)償，從而使環(huán)境照度達(dá)到預(yù)設(shè)值，達(dá)到調(diào)光的目的。另外，此系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶需要來設(shè)定光照強(qiáng)度。

　　3.2環(huán)境氣體監(jiān)控

　　環(huán)境氣體的監(jiān)控包括以下步驟：傳感器感應(yīng)環(huán)境氣體，判斷感應(yīng)到的氣體是否異常，若感應(yīng)到的氣體異常，則判斷異常是否超過預(yù)設(shè)時間，若異常超過預(yù)設(shè)時間，則輸出異常信號至手機(jī)或電腦客戶端，異常報警，然后判斷異常是否處理完畢，若異常處理完畢，則解除報警。該環(huán)境監(jiān)控主要是應(yīng)對現(xiàn)行大樓可能發(fā)生的突發(fā)事件而設(shè)計(jì)，具有及時、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

4結(jié)論

　　該多功能LED智能照明系統(tǒng)通過紅外感應(yīng)器及光敏傳感器采集外界的紅外感應(yīng)信號及照度信號，控制器通過以上采集信號對應(yīng)的不同輸出電壓控制照明裝置的光照強(qiáng)度，根據(jù)是否有紅外感應(yīng)及外界的光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)照度的分級實(shí)時調(diào)控，并且通過物聯(lián)網(wǎng)對LED燈具的狀態(tài)、環(huán)境的溫濕度以及氣體是否異常進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，有效地減少了系統(tǒng)能耗，提高了照明裝置的使用壽命，在家居、餐廳、酒店、公共設(shè)施等場所均具有較廣泛的應(yīng)用前景。

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