基于WiFi技術(shù)的無線調(diào)光日光燈系統(tǒng)設(shè)計

李 翔，章曙光，陳 蘊

安徽建筑大學電子與信息工程學院，安徽合肥，230022

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基于WiFi技術(shù)的無線調(diào)光日光燈系統(tǒng)設(shè)計

李 翔1，章曙光2，陳 蘊*

安徽建筑大學電子與信息工程學院，安徽合肥，230022

針對當前家庭照明系統(tǒng)采用的主流控制方式有控制不便、靈活性差、經(jīng)濟成本較高等缺點,設(shè)計了一種以WiFi技術(shù)為基礎(chǔ)，可以自由控制通訊范圍內(nèi)任意日光燈照明亮度的智能化照明系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的各功能模塊可以靈活組合實現(xiàn)功能切換，系統(tǒng)可在原有日光燈上進行升級改造，無須更換原有照明設(shè)備，具有造價低、施工易、適用性強的特點。用戶可以在使用安卓操作系統(tǒng)手機、平板電腦等移動設(shè)備上安裝本系統(tǒng)的客戶端APP，通過APP按自己的喜好改變室內(nèi)光照亮度，實現(xiàn)按需照明。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)的整體設(shè)計方案可行，系統(tǒng)原型產(chǎn)品的調(diào)控輸出穩(wěn)定，靈敏度高，隨動性強。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；安卓系統(tǒng)；自動調(diào)光

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家居領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，智能家居這一名詞成為業(yè)界內(nèi)最火熱的課題。智能家居使傳統(tǒng)的居住環(huán)境產(chǎn)生了巨大的改變，居民對家居環(huán)境的要求也從傳統(tǒng)的“可居”轉(zhuǎn)向“樂居”。照明領(lǐng)域也面臨著重大的變革，個性化、可調(diào)整成為了照明燈具的發(fā)展趨勢。目前市場主流的調(diào)光燈具的控制方法主要有有線開關(guān)調(diào)控、紅外遙控調(diào)控和無線調(diào)控三類。而且有線調(diào)控和紅外遙控具有技術(shù)成熟、使用廣泛、市場接受度高的特點，無線調(diào)控方式具有安裝方便的優(yōu)點，這些控制方式被應(yīng)用于不少場合，但仍存在明顯不足：(1)有線調(diào)控和紅外遙控都存在兼容性差的問題，而且后期沒有擴容能力；(2)有線調(diào)控必須在開關(guān)面板前進行操作，使用便利性差，尤其對于行動不便的人士和身高不夠的兒童等更加不便；(3)紅外遙控必須使用專用遙控器來實現(xiàn)控制，所以不得不向家中本已過剩的遙控器隊伍中再加入一個或幾個新的遙控器，而其功能僅僅是控制燈光；在控制器丟失或損壞時，必須重新購買，而且其控制距離短，易受障礙物影響；(4)無線調(diào)控技術(shù)對于普通用戶來說難以理解和推廣，也是是近兩年出現(xiàn)的新事物，目前有基于ZigBee、藍牙等調(diào)控方式，但都還處于研究階段，沒有市場化的產(chǎn)品面市[1]。因此，這些因素使它們的推廣和應(yīng)用受到一定的限制。

本文提出了一種成本較低、不增加額外的遙控器、遠距離調(diào)控不受障礙物阻礙、便于向普通消費者解釋其技術(shù)，并且可以在現(xiàn)有絕大多數(shù)照明燈具上進行改造的無線調(diào)光系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)通信方式為無線WiFi，又稱IEEE 802.11b，即一種短程的無線傳輸技術(shù)。系統(tǒng)由基于安卓操作系統(tǒng)的人機交互界面、無線調(diào)光模組(通信模塊+調(diào)光模塊)、模擬量輸出模塊、無線測光模組(通信模塊+測光模塊)組成。典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中調(diào)光模組和照明燈具按1∶1配置，即每個需要實現(xiàn)無線調(diào)光的燈具都要配備一個調(diào)光模組[2-4]。該模組需用24 V電源供電，但由于調(diào)光模組是和日光燈安放在一起的，所以其電源可以從照明電源上經(jīng)整流后取得。測光模組的個數(shù)由用戶自行決定(典型結(jié)構(gòu)中也按照1∶1配置)，其外形僅有智能手機大小，既可由9 V電源，也可由鋰電池供電，所以安放位置相對靈活，可以置于需測光房間的任意位置，其典型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及其運行原理如圖2所示。

圖2 運行原理圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)的最大特點就是模塊化的組合性和一塊多用性。系統(tǒng)的核心是以ARM芯片配合WiFi210芯片構(gòu)成的無線通信節(jié)點模塊，該模塊提供兩種可切換模式，即SERVER/CLIENT模式，在通信系統(tǒng)中作發(fā)出/接收使用。這樣，既可以避免應(yīng)答混亂，又可以在發(fā)生故障時快速判斷問題模塊編號。通信模塊切換到SERVER模式，并與測光模塊組合時即是測光模組；在切換到CLIENT模式，并與調(diào)光模塊組合時即是調(diào)光模組。這種組合都是可逆的，從測光模組切換到調(diào)光模組所需的拆卸、接線、重新寫入程序等步驟，僅需幾分鐘就可完成。因而，針對不同的用戶需求，本系統(tǒng)可以任意增減測光、調(diào)光模組的數(shù)量，系統(tǒng)對用戶環(huán)境改變的適應(yīng)性更強。而且，在遇突發(fā)情況時，不同模組在簡單改造后，就可相互替代以達到應(yīng)急需要。

2.1 WiFi無線通信節(jié)點模塊

無線通信節(jié)點模塊的核心為ARM芯片，其主要作用為解碼/編碼手持設(shè)備發(fā)送/接收的信號，并且通過RS485與光敏電阻模塊/模擬量輸出模塊連接，在整個系統(tǒng)中作為一個為無線通信模塊和下級執(zhí)行單元之間建立連接的橋梁。另外，由于本系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換的精度要求并不高，所以也不要另外采用外設(shè)電路，而是由ARM芯片自帶A/D轉(zhuǎn)換器完成光敏測光的A/D轉(zhuǎn)換。最后，整個通信節(jié)點模塊的CLIENT/SERVER模式切換，也是通過重寫ARM芯片配置文件來實現(xiàn)的。無線通信的核心為WizFi210芯片，其有內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11 協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

2.2 模擬量輸出模塊

模擬量輸出模塊由24 V電源供電，由一片

STM32單片機作為控制核心，通過RS485與無線通信節(jié)點模塊上的ARM芯片連接，在接收到調(diào)壓指令后，其輸出端輸出0～10 V電壓至可調(diào)壓整流器。

2.3 光照測試模塊

光照測試模塊通過光敏電阻感光，使用OP336放大器放大后，直接將AD信號送至節(jié)點板上ARM芯片，完成A/D轉(zhuǎn)換后，再通過WiFi模塊將采集到的光照值送至手持設(shè)備[5-7]。

2.4 燈 具

本系統(tǒng)采用T8熒光管日光燈，裝配可調(diào)壓整流器作為照明燈具。其中可調(diào)壓整流器在普通整流器的基礎(chǔ)上整合功率因數(shù)校正芯片，當輸入端接收來自模擬量輸出模塊給出的DC 0～10 V的控制電壓后，輸出端對應(yīng)0 V為關(guān)閉，而1～10 V對應(yīng)燈管額定功率上最大輸出電平的10%～100%。

2.5 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)軟件分為運行于Android系統(tǒng)上的客戶端軟件和寫入調(diào)光/測光模組中的終端軟件。

2.5.1 客戶端軟件設(shè)計

客戶端軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)采用單線程模式，優(yōu)先判斷并發(fā)送調(diào)光指令，待系統(tǒng)不再發(fā)送新的指令之后，開始接收和更新光照數(shù)據(jù)。采用這一設(shè)計的初衷是提高運行速度，降低軟件出錯概率。

圖3 客戶端軟件流程圖

2.5.2 終端軟件設(shè)計

客戶端軟件流程圖如圖4所示，其中，(a)圖為調(diào)光模組流程圖，在接收客戶端指令后，通過單片機串口向模擬量輸出模塊發(fā)出指令，同時通過單片機返回信息判斷指令是否傳送成功；(b)圖為測光模組流程圖，單片機將光敏電阻的模擬信號轉(zhuǎn)換后，經(jīng)通信模塊發(fā)送給客戶端，同時判斷客戶端是否正確接收了信號。

圖4 終端軟件流程圖

3 實 驗

3.1 實驗步驟

實驗步驟如圖5所示。由手持設(shè)備發(fā)出調(diào)光指令，觀察燈管響應(yīng)情況，然后查看客戶端軟件上由測光模組返回的光照數(shù)據(jù)，待測量值穩(wěn)定后，記錄響應(yīng)光照值和響應(yīng)時間。

圖5 實驗流程

3.2 實驗設(shè)備裝置

實驗設(shè)備裝置如圖6所示。將測試用燈具安裝在房間正中屋頂，調(diào)光模組安裝在日光燈控制器開關(guān)盒上，測光模組安裝于日光燈罩正中位置。路由器置于房間入口處。手持裝有實驗用APP的Android設(shè)備，分別在房間的不同位置發(fā)出多次指令。

圖6 實驗布置圖

3.3 實驗用APP界面

本系統(tǒng)客戶端軟件基于Android系統(tǒng)設(shè)計，測試版軟件操作界面如圖7所示，其中(a)圖為設(shè)定界面，在其中設(shè)置對應(yīng)的模組IP地址和端口號，以建立連接，當前的測試版客戶端為一次設(shè)置最多4個下行節(jié)點和4個上行節(jié)點，其中上行節(jié)點上傳數(shù)據(jù)至客戶端是多通路實時的，下行可以支持向多個節(jié)點發(fā)送相同數(shù)據(jù)或分別控制單個節(jié)點，運行界面如圖7(b)所示。

3.4 實驗亮度值定義

目前，建筑照明設(shè)計中用來衡量光照度的物理量單位為勒克斯(lux或lx)。照度的測量和定義有其嚴格的規(guī)定和專業(yè)的設(shè)備，本實驗所使用的測光模塊的核心是光敏電阻，它不論從精度還是從可測面積出發(fā)，都不具備準確測試照度物理量的能力；而且對于普通用戶而言，照度物理量難以理解，無法建立直接的感官認識[8]。因此本系統(tǒng)設(shè)計的光照亮度值是基于日光燈自身的亮度定義的。本系統(tǒng)的模擬量輸出模塊輸出的可調(diào)電壓范圍為0～10 V，因此將光敏電阻測光模塊置于日光燈罩正中位置。在無外界自然光的情況下，將模擬量輸出模塊的電壓依次由1 V上升到10 V，將光敏電阻在各電壓檔位情況下輸出穩(wěn)定后的值定義為亮度1～10檔(低于一檔的亮度軟件顯示0，高于10檔的亮度軟件顯示為“過亮”)。因此,本系統(tǒng)中所設(shè)定的1～10檔亮度即為日光燈在調(diào)壓模塊輸出1～10 V電壓時所對應(yīng)的亮度。如此定義的依據(jù)主要考慮一般家庭用戶對于光照可調(diào)節(jié)要求并不是很細，10檔亮度已經(jīng)可以滿足大多數(shù)用戶的日常需要，而且分級較少，級與級之間的判斷跨度也就越大，這樣，客戶端軟件反饋的光照值相對穩(wěn)定，不會頻繁跳動，從而提升用戶體驗感[9]。通過前期數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，即使光照良好的房間在日間光照最充足時，室內(nèi)的亮度也不會超過上述定義的第10檔亮度，因而，在室內(nèi)存在基礎(chǔ)亮度的情況下，測光模組依然可以正確并良好地工作。

圖7 客戶端軟件界面

3.5 實驗結(jié)果

實驗分兩組進行，一組時間為晚間21點，實驗用房間在燈滅的情況下，測光模組反饋的基礎(chǔ)亮度值為0。另一組為午間13點，外界自然光照射下測光模組反饋的基礎(chǔ)亮度值為7。兩組實驗各進行10次測試，從1～10發(fā)出調(diào)光指令(在房間的不同位置分別發(fā)出指令)，然后通過響應(yīng)時間和光照穩(wěn)定后的測光亮度對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈敏性、準確性作出評判。

表1 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)調(diào)光指令傳輸?shù)某晒β蕿?00%，平均調(diào)節(jié)延時小于1秒；測光模組在置于日光燈直射位置下時，反饋光照值與設(shè)定值一致率100%，且對不受外界基礎(chǔ)光線的影響。

4 結(jié) 論

當前，智能家居產(chǎn)業(yè)正如火如荼地發(fā)展，照明作為家居最為基本的需求市場，前景廣闊。通過手機、平板電腦等手持設(shè)備控制家庭照明系統(tǒng)，是一種全新的嘗試。本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(1)選用WiFi為通信方式。WiFi已經(jīng)融入了現(xiàn)代生活，且?guī)缀趺恳粋€城市居民的家中都有無線路由器，WiFi技術(shù)對于普通用戶來說更易直觀理解[10]。(2)本系統(tǒng)將遙控器集成于運行Android操作系統(tǒng)的智能手持設(shè)備上，無需購買專用遙控器，實現(xiàn)全家人手一個遙控器。符合當前用智能設(shè)備集成全家遙控器這一發(fā)展趨勢，帶給使用者新穎的體驗。(3)WiFi調(diào)控不受障礙物制約，可遠距離調(diào)控。(4)在照明終端方面，本系統(tǒng)選用普通日光燈，這是考慮到日光燈在普通民居和公共場所仍是主要照明燈具，且其具有成本低、照度好、維護成本低等特點。該系統(tǒng)只需在現(xiàn)有的日光燈照明系統(tǒng)上進行改造即可，無須更換現(xiàn)有燈具，大大節(jié)約了改造成本，且不會造成資源的浪費。

在未來的研究中，該系統(tǒng)仍有很大的改進空間：(1)通過引入網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，來實現(xiàn)對光照的遠程控制和遠程檢測。(2)使亮度的定義進一步合理化和直觀化，細化測光點、優(yōu)化光照測量的算法。(3)根據(jù)房間的不同功能、時令的不同以及在室內(nèi)從事的活動不同等給出最優(yōu)的亮度建議，并能自動調(diào)控，以真正實現(xiàn)照明的智能化、人性化。

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(責任編輯：汪材印)

2016-03-10

李翔(1986-)，安徽合肥人，碩士研究生，主要研究方向：建筑信號測量、樓宇自動化。

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.06.028

TM923.321

A

1673-2006(2016)06-0103-05

*通訊作者：陳蘊(1958-)，安徽阜陽人，教授，主要研究方向：智能樓宇與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、建筑傳感網(wǎng)測控技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理。