基于單片機的家居智能燈控系統(tǒng)設(shè)計

熊 松，肖春生

(江西生物科技職業(yè)學(xué)院 江西南昌330200)

0 引 言

在現(xiàn)代家庭生活中，大部分家庭照明燈都是通過外接手動開關(guān)控制的，許多粗心的住戶時常出現(xiàn)忘記關(guān)燈、白天光線充足誤開燈等浪費電能的現(xiàn)象。隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，如果能將智能技術(shù)與LED照明技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計一套家居燈光智能控制系統(tǒng)，使得住戶可隨心所欲地對家居照明進行控制，同時使家居燈光具備自動開閉和自動調(diào)節(jié)光亮的能力，不僅能節(jié)約家庭用電量，還能提供給住戶更優(yōu)質(zhì)、舒適的生活居住照明體驗。

1 家居智能燈控系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的家居智能燈控系統(tǒng)是利用傳感技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、單片機控制技術(shù)以及集成技術(shù)等組建起來的一個綜合信息控制管理系統(tǒng)，其主要實現(xiàn)對家宅燈光的智能管理。用戶可通過手動開關(guān)、無線遙控、一鍵場景切換、遠程控制等多種控制方式對家宅內(nèi)燈具進行一對一開閉、調(diào)光控制以及對不同區(qū)域(如臥室、客廳、衛(wèi)生間、廚房、過道)燈光的系統(tǒng)控制。同時根據(jù)家居環(huán)境的監(jiān)測完成對室內(nèi)燈光開閉和調(diào)光的智能控制，實現(xiàn)“人來燈亮、人走燈滅”的節(jié)能用電模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主、從機硬件設(shè)計

本文設(shè)計系統(tǒng)的硬件采用主、從機控制方式，其硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。主機控制芯片選用宏晶科技生產(chǎn)的 STC12C5A60S2單片機，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 8～12 倍，功能主要為接收并處理來自各控制節(jié)點傳遞來的信息。手機、電腦等智能終端用來向主控芯片發(fā)送控制指令以及接收來自主機的信息。按鍵輸入模塊完成系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置及手動模式切換控制。時鐘芯片DS1320為單片機提供時間信息，與單片機之間采用同步串行方式進行相互通信。LCD液晶顯示為人機交互的界面，時鐘信息、狀態(tài)信息、功能選擇信息等均通過液晶界面進行顯示。USB接口除了給主機供電外，還可作為程序修改的預(yù)留接口，由 Keil C51軟件生成的.hex文件可通過該接口燒錄至單片機芯片中去。

從機被控芯片選用價格實惠、功能齊全的STC89C52單片機，功能主要表現(xiàn)為將家居環(huán)境各個區(qū)域收集的環(huán)境檢測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至主控芯片，同時接收來自主控芯片的控制指令去驅(qū)動光電耦合繼電器控制照明設(shè)備電源的通斷。室內(nèi)環(huán)境檢測模塊包括光照探測器 BH1750和人體熱釋電紅外感應(yīng)模塊HC-SR501，BH1750可測光強度變換范圍 1～65,536,lx，接近視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行 1,lx的高精度測定。HC-SR501供電電壓低、感應(yīng)角度＜100 °錐角，可檢測大于 7,m 的距離，適用于家居環(huán)境檢測。調(diào)光模塊根據(jù)室內(nèi)環(huán)境檢測模塊監(jiān)測的數(shù)據(jù)控制燈具亮度，維持家居環(huán)境光照水平。

主從機之間利用 Zigbee組網(wǎng)技術(shù)進行雙向通信，完成整個家居智能燈控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)點信息間的相互傳遞。

圖1 家居智能燈控系統(tǒng)主、從機硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Home and intelligent lamp control system main and slave hardware design structure diagram

2.2 Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)的搭建

Zigbee無線通信是近些年興起的一種低功耗、低成本、低傳輸速率、信號傳輸距離遠、控制快速便捷、安全性高、組網(wǎng)靈活的通信技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)點對比其他短距離無線通信技術(shù)非常適合智能家居產(chǎn)品的控制，如表1所示[1]。

表1 幾種短距離無線通信技術(shù)比較Tab.1 Comparison of several short distance wireless communication technologies

本系統(tǒng)通過組建Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)與家居照明燈互連，結(jié)合無線傳感技術(shù)，實現(xiàn)家居照明燈間的物聯(lián)網(wǎng)通信，同時方便住戶更好地對家中照明設(shè)備進行管理，住戶可以利用手機或者電腦終端對整個家庭的照明燈進行控制。ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)是基于統(tǒng)一的 IEEE 802.15.4無線傳輸標準協(xié)議，其主要由終端節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)器、家庭網(wǎng)關(guān)等部分組成，如圖2所示。各區(qū)域終端節(jié)點中的傳感器將測得的環(huán)境參量(如光線強度、紅外檢測等)提供給網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)器負責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及對各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行管理，其在接收來自家庭網(wǎng)關(guān)的相關(guān)控制指令信息后，將指令信息按照相應(yīng)線路傳達至各區(qū)域終端節(jié)點，同時還可收集來自各終端節(jié)點的檢測信息，進行分析后在串口 RS232的支持下利用異步收發(fā)傳輸器(UART)與家庭網(wǎng)關(guān)進行信息的雙向傳輸。家庭網(wǎng)關(guān)是對內(nèi)外部信息進行交換的聚集點，它的功能是轉(zhuǎn)換協(xié)議和傳遞信息[2]。

圖2 家居智能燈控系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The communication structure diagram of home intelligent lamp control system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)利用Keil C51開發(fā)編譯軟件進行軟件開發(fā)設(shè)計，使用C語言完成系統(tǒng)開發(fā)程序的編寫。系統(tǒng)上電后，先完成 LCD顯示模塊、短信模塊、時鐘模塊、傳感模塊等的初始化設(shè)置，然后建立 ZigBee通信連接處理來自各節(jié)點傳感設(shè)備和家庭網(wǎng)關(guān)的信息，最終通過輸出控制實現(xiàn)各項功能。

3.1 主機功能實現(xiàn)

圖3 主機程序流程圖Fig.3 Host program flow chart

主機的程序流程圖如圖3所示，其功能實現(xiàn)主要概括為以下 5點：①將家庭各區(qū)域傳感檢測到的參數(shù)、通信狀態(tài)以及繼電器實時通斷等情況顯示在LCD顯示屏上。②通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)的功能設(shè)置及模式的切換，包括萬年歷、時鐘等的設(shè)置及自動和手動等模式的切換。③實現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境光強度減弱時LCD自動調(diào)整背光，進入節(jié)能工作模式。④遠程GSM 信息查詢家居環(huán)境參數(shù)以及遠程發(fā)送控制指令。⑤向從機繼電器發(fā)送通斷控制指令信息等。

3.2 從機功能實現(xiàn)

從機的程序流程圖見圖4，其功能實現(xiàn)主要概況為以下 3點：①接收來自主機的控制信息，并根據(jù)控制指令驅(qū)動繼電器通斷工作。②將光傳感、紅外傳感等采集的家居環(huán)境信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給主機。③自動模式下控制家居燈的智能通斷。以臥室照明自動控制為例，其程序設(shè)計流程如圖5所示，當光照探測器檢測到光強度小于 300,lx(根據(jù)《建筑照明設(shè)計標準》，300,lx的室內(nèi)光照度有利于書寫、閱讀及視力的保護)，同時熱釋電紅外感應(yīng)裝置檢測到室內(nèi)有人存在時，從機控制芯片發(fā)出控制指令驅(qū)動繼電器打開適合盞數(shù)的照明燈，該功能充分利用室內(nèi)環(huán)境的自然采光，實現(xiàn)節(jié)能效用的“人來燈亮”。當熱釋電紅外感應(yīng)裝置檢測到室內(nèi)沒人時，從機控制芯片發(fā)出控制指令驅(qū)動繼電器關(guān)閉照明燈，實現(xiàn)“人走燈滅”。

圖4 從機程序流程圖Fig.4 Slave program flow chart

圖5 自動模式燈控流程圖Fig.5 Automatic mode lamp control flow chart

4 結(jié) 語

隨著我國房地產(chǎn)市場的火熱、人們節(jié)能意識的增強以及住戶對美好舒適環(huán)境的憧憬，家居智能控制將會逐漸成為未來家庭裝修的首選。因此，對家居智能燈控系統(tǒng)的研究具有非常好的市場前景。本系統(tǒng)能夠為住戶提供良好的照明體驗，同時具備節(jié)能環(huán)保效果。但是系統(tǒng)在設(shè)計過程中還存在一些欠考慮的因素，例如場景模式的設(shè)計過于單調(diào)、系統(tǒng)安全性不足、與其他家居產(chǎn)品進行智能互聯(lián)不流暢等，這些均需要在以后的設(shè)計研發(fā)過程中不斷改進和完善,。