基于NRF905的家庭照明控制系統(tǒng)設(shè)計

陳國童，邱興陽

(1.寧德師范學院 物理與電氣工程系，福建 寧德 352100；2.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學院 自動化工程系，福建 莆田 351254)

基于NRF905的家庭照明控制系統(tǒng)設(shè)計

陳國童1，邱興陽2

(1.寧德師范學院 物理與電氣工程系，福建 寧德 352100；2.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學院 自動化工程系，福建 莆田 351254)

本系統(tǒng)設(shè)計基于NRF905無線模塊。在手動模式下，通過無線模塊的信號傳輸來控制照明系統(tǒng)亮度。在自動控制模式下，通過對人體信號以及環(huán)境亮度的檢測并做出判斷，實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的智能控制。系統(tǒng)具有節(jié)能、高效和環(huán)保的作用，有較高的使用價值。

智能照明；自動控制；NRF905；STCIAP15W4K61S4

0 引言

目前，家庭的照明設(shè)計系統(tǒng)中存在照明設(shè)備損耗和能源浪費的現(xiàn)象。普及家庭智能化照明，不僅為我們的生活帶來便利，還能提供一種新的節(jié)能方案。本文設(shè)計的基于NRF905的智能照明控制系統(tǒng)，可通過NRF905無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)來控制PWM信號輸出，實現(xiàn)遠距離調(diào)節(jié)照明亮度。使用NRF905具有耗電小、成本低、無需布線和安裝、方便簡單等特點[1]。另外，系統(tǒng)還能通過傳感器的數(shù)據(jù)測量，自動控制照明系統(tǒng)開關(guān)或者自動調(diào)節(jié)照明亮度，有效降低電能的損耗。因此，智能家庭照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用將會成為新的照明控制趨勢。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)分上位機與下位機兩大部分，上位機包括STC系列單片機IAP15W4K61S4連接NRF905無線模塊、電位器與4個按鍵。4個按鍵分別是：人體信號使能按鍵、亮度使能按鍵、手動使能按鍵、總開關(guān)按鍵。其優(yōu)先級別為：總開關(guān)>手動使能按鍵>人體信號使能按鍵=亮度使能按鍵。按下總開關(guān)、手動使能按鍵使系統(tǒng)處于手動工作模式，上位機與下位機間采用NRF905無線數(shù)據(jù)傳送模塊通信，手動調(diào)節(jié)上位機的電位器，上位機通過STCIAP15W4K61S4讀取電位器電壓值，然后通過無線數(shù)據(jù)傳送模塊NRF905直接發(fā)送給下位機的NRF905，下位機再通過STCIAP15W4K61S4將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PMW信號，控制照明設(shè)備亮度，從而達到無線控制燈光亮度的目的。下位機采用STC系列單片機IAP15W4K61S4連接NRF905無線模塊、D-SUN PIR 人體紅外感應(yīng)模塊、光敏電阻。按下總開關(guān)、人體信號使能按鍵或亮度使能按鍵時系統(tǒng)處于自動工作模式，通過D-SUN PIR 人體紅外感應(yīng)模塊中的人體紅外傳感器對人體信號的檢測，自動控制照明設(shè)備開與關(guān)，通過光敏電阻檢測光照亮度，自動調(diào)節(jié)照明設(shè)備亮度。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 D-SUN PIR人體紅外感應(yīng)模塊

D-SUN PIR人體紅外感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品。具有高靈敏度和很強的可靠性，工作時電壓低功耗小，應(yīng)用較廣泛。系統(tǒng)中傳感器電路是由PIR人體紅外檢測探頭LHI778與紅外傳感器處理器BISS0001組成[2]。在紅外傳感器LHI778檢測到人員信息時就會輸出一個高電平的電壓信息，這個電壓信號并不是標準的可被單片機接收的信號，所以我們還需要對這個電壓信號進行處理。集成芯片BISSOO01是CMOS數(shù)模混合的集成電路，是對熱釋電紅外傳感器信號進行處理的處理器。它內(nèi)部的運算放大器具有很高的輸入阻抗，所以可以與很多種的紅外傳感器匹配[3]。當傳感器LHI778檢測到人體紅外線信號后，從2腳輸出極微弱的電信號，經(jīng)BISSOO01芯片中的運算放大器進行放大，放大后的信號即電壓值由BISSOO01電壓比較器限幅之后輸出高低電平的脈沖信號。單片機根據(jù)BISSO001輸入的脈沖信號對房間內(nèi)是否有人進行判斷。具體的工作電路如圖2所示。

圖2 D-SUN PIR 人體紅外感應(yīng)模塊電路

2.2 光照采集電路

光照采集電路如圖3所示，是由定值電阻與光敏電阻串聯(lián)組成的分壓電路。通過光照采集電路采集光照數(shù)據(jù)，通過程序做模數(shù)轉(zhuǎn)換[4]。光敏電阻采集環(huán)境亮度數(shù)據(jù)，其阻值隨環(huán)境亮度的變化而變化，而其中間點電壓隨光敏電阻阻值的變化而變化[5]，當光照減弱時，光敏電阻阻值增大，分壓電路中間點電壓隨之增大，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果也增大。該電壓再通過程序做A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給STCIAP15W4K61S4單片機識別。

圖3 光照采集電路

圖4 驅(qū)動電路圖

2.3 驅(qū)動電路

系統(tǒng)控制的LED燈屬于電流驅(qū)動型器件，因此，使用三極管8550型PNP晶體三極管進行驅(qū)動。驅(qū)動電路工作過程：單片機輸出的PWM信號送給三極管8550的基極，進行電流放大，進而驅(qū)動LED燈工作，通過控制PWM信號的占空比改變LED燈的亮度[6]。電阻R起限流作用，保護電路。電路圖如圖4所示。

2.4 NRF905無線模塊

圖5 NRF905引腳分布圖

NRF905無線模塊是單片型射頻收發(fā)芯片，可工作于多個ISM頻段。發(fā)射速率50KBPS，外置天線。有很強的抗干擾性能和障礙穿透性能，通訊距離可達300米左右，室內(nèi)可靠通信可達3至6層。最高傳輸速度32字節(jié)/次，發(fā)送/接收緩沖區(qū)的大小可通過程序自行設(shè)置[7]。有多個頻道，可實現(xiàn)多點通訊、跳頻通訊甚至組網(wǎng)通訊。數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定，開發(fā)簡單。芯片內(nèi)集成各種功能模塊。前置ShockBurst功能自動處理以及CRC校驗。SPI接口可以通過配置SPI接口實現(xiàn)，也可通過模擬I/O口來實現(xiàn)。SPI時鐘高達10M。超低功耗，待機模式時，工作電流僅2.5uA更能實現(xiàn)低功耗運作[8]。其引腳分布如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

基于NRF905的家庭智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要完成模式初始化、選擇不同模式電路的工作狀態(tài)，其中包括無線信號的傳輸與接收，紅外人體檢測傳感器電路輸出的人體檢測信號接收、環(huán)境亮度檢測信號的采集。

3.1 主程序流程圖

手動工作模式下，手動調(diào)節(jié)上位機的電位器，上位機通過STCIAP15W4K61S4讀取電位器電壓值，然后通過NRF905無線數(shù)據(jù)傳送模塊直接發(fā)送給下位機的NRF905，下位機再通過STCIAP15W4K61S4將接收到的電壓值轉(zhuǎn)換成PMW輸出,從而手動控制照明設(shè)備亮度。自動工作模式下，STCIAP15W4K61S4單片機直接讀取光敏電阻或D-SUN PIR 人體紅外感應(yīng)模塊感應(yīng)出的電壓值，從而自動控制照明設(shè)備的開、關(guān)或亮度。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

圖7 無線模塊發(fā)送流程圖

3.2 無線模塊發(fā)送端軟件設(shè)計

發(fā)送端程序流程如圖7所示。先將系統(tǒng)設(shè)置在手動工作模式下，初始化無線射頻模塊，再配置無線射頻模塊的寄存器，然后讀取電位器的電壓值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，設(shè)計模塊進入發(fā)送模式，NRF905進行編碼并發(fā)射數(shù)據(jù)包，最后進入延時等待。

3.3 無線模塊接收軟件設(shè)計

在手動模式下接收端程序流程圖如圖8所示。先初始化和配置無線射頻模塊，然后接收來自發(fā)送端的數(shù)據(jù)并譯碼，產(chǎn)生PWM控制信號，從而調(diào)節(jié)LED的亮度。

3.4 自動模式下軟件設(shè)計

自動模式下接收端程序流程圖如圖9所示。首先進行芯片初始化，然后進行紅外人體檢測，如果沒有人，就不需要打開照明設(shè)備；如果有人，則再判斷環(huán)境亮度，如果光照低于設(shè)定值，就打開照明設(shè)備，并隨著光照的強度自動調(diào)節(jié)燈光的亮度，如果高于設(shè)定值，也就是這是周圍的亮光已經(jīng)滿足照明，不需要打開照明設(shè)備。

圖8 無線模塊接收流程圖

圖9 自動模式下流程圖

4 結(jié)語

本文介紹了基于NRF905的家庭智能照明控制系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計方案，系統(tǒng)分上位機與下位機。在手動模式下，通過手動調(diào)節(jié)上位機的電位器手動控制下位機的照明系統(tǒng)亮度；在自動模式下，通過人體紅外傳感器對人體信號的檢測，自動控制照明系統(tǒng)開關(guān)，通過光敏電阻檢測光照亮度，自動調(diào)節(jié)照明亮度。最終實現(xiàn)對照明設(shè)備的智能控制。該系統(tǒng)不僅能為人們的生活帶來便捷，還為倡導(dǎo)節(jié)約減能的理念，提供了新的思路與解決方案。

[1] 章潔，秦會斌，等.基于ZigBee的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2013(9)：22-24.

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[6] 王娟.室內(nèi)環(huán)境下LED智能照明系統(tǒng)的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2013.

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[8] 洪維.基于nRF905的通用無線通信模塊的設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2008(16)：17.

責任編輯：程艷艷

Design of Residential Lighting Control System Based on NRF905

CHEN Guotong1， QIU Xingyang2

(1. Department of Physics and Electrical Engineering， Ningde Normal University， Ningde 352100， China;2. Department of Automation Engineering， Meizhouwan Vocational Technology College， Putian 351254, China)

The design of this system is based on NRF905 wireless module. In manual mode, the signal transmission of the wireless module is used to control the brightness of the lighting system. In automatic mode, the detection and judgment of human body signal and environmental brightness are made to realize the intelligent control on the lighting system. This system with its high using value has functions of energy-saving, efficiency and environmental protection.

intelligent lighting； automatic control； NRF905； STCIAP15W4K61S4

2016-08-26

寧德師范學院科研項目(2014Q55)

陳國童(1979-),男,福建屏南人，碩士，副教授，主要從事無線電傳輸、電源技術(shù)應(yīng)用方面研究。

TM923

A

1009-3907(2016)12-0021-04