校園智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐敏敏 喬陽(yáng)利

摘 要：隨著科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的照明控制方式已經(jīng)不能滿足人們的需求，而且照明能耗也不容樂(lè)觀。針對(duì)這些問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)和ardunio微控制器板的智能燈光控制系統(tǒng)，充分利用了云平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，安全性高，可靠性好，具有廣泛應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：云平臺(tái)；arduino；照明控制系統(tǒng)

隨著科技的高速發(fā)展，能源消耗成為國(guó)家和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。與此同時(shí)，隨之而來(lái)的節(jié)能減排工作成為研究的重要內(nèi)容之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代建筑中，照明系統(tǒng)對(duì)能源的消耗占的比例較大，因此，樓宇電氣照明節(jié)能技術(shù)的理論及應(yīng)用研究已經(jīng)成為建筑電氣綜合節(jié)能研究?jī)?nèi)容之一。本設(shè)計(jì)以學(xué)校路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，研究并設(shè)計(jì)出一套基于云平臺(tái)的校園照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、硬件電路設(shè)備選型、云處理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與通信協(xié)議編寫(xiě)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容等。

1 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于云平臺(tái)和arduino微控制器板進(jìn)行控制的校園照明智能控制系統(tǒng)。適用于校園路燈、圖書(shū)館等校園照明系統(tǒng)的控制，可以有效地減少能源的消耗，提高燈光系統(tǒng)的利用效率。

借助智能控制算法和云平臺(tái)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)路燈照明實(shí)現(xiàn)智能化控制管理，本控制系統(tǒng)設(shè)置兩路控制通道，一路是自動(dòng)控制，將智能控制算法（根據(jù)節(jié)氣的變換自動(dòng)設(shè)定開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間）植入云端服務(wù)器，通過(guò)WiFi模塊與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳，控制器接收到采集電路的信息，將其發(fā)送至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器通過(guò)分析處理將命令信號(hào)回傳至控制器，控制器再將命令信號(hào)傳送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作；一路是手動(dòng)控制，在手機(jī)上開(kāi)發(fā)一個(gè)APP，與云端服務(wù)器相連，如果遇到陰雨大霧或者霧霾天氣等特殊情況，可以實(shí)現(xiàn)一部手機(jī)在手就可以隨時(shí)隨地掌控照明狀況，并制作出方案模型，借助各種軟硬件平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，以達(dá)到預(yù)期目的[1]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案分析，本系統(tǒng)由arduino mega 2560單片機(jī)控制器，光線傳感器模塊、熱釋人體紅外傳感器模塊、控制輸入模塊、電源模塊、WiFi控制模塊構(gòu)成。校園的照明控制系統(tǒng)的工作原理是檢測(cè)校園中的光線強(qiáng)度、使用情況，具有自動(dòng)及遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度以及燈具開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成部分應(yīng)包括：光線驅(qū)動(dòng)信號(hào)采集電路、模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、人體存在信號(hào)采集電路、微控制器控制電路、顯示電路、按鍵電路、WiFi遠(yuǎn)程控制電路以及燈光控制電路。

2.2 單片機(jī)的選擇

arduino mega 2560微控制器板是一個(gè)用ATmega2560單片機(jī)為控制核心的微控制器板?；陂_(kāi)源平臺(tái)，可獲得基于知識(shí)共享開(kāi)放的源代碼和電路設(shè)計(jì)。不需要過(guò)多的外設(shè)電路，自帶直流寬電壓輸入，USB供電等多種供電方式，arduino開(kāi)源共享平臺(tái)，此微控制器對(duì)環(huán)境要求不嚴(yán)格，對(duì)外設(shè)兼容度較高，性能優(yōu)良，開(kāi)發(fā)及二次開(kāi)發(fā)成本較低，故選擇arduino mega 2560微控制器為較合理的選擇。

2.3 傳感器的選擇

2.3.1 人體信號(hào)傳感器的選擇

熱釋紅外感應(yīng)模塊，用來(lái)檢測(cè)校園內(nèi)是否有人體發(fā)出的紅外線，判斷校園某段檢測(cè)范圍內(nèi)是否有人。從而決定是否進(jìn)行此段路燈的光照強(qiáng)度自動(dòng)控制，是數(shù)據(jù)采集的核心模塊之一。

2.3.2 光照強(qiáng)度信號(hào)傳感器的選擇

光照強(qiáng)度傳感器模塊主要由光敏電阻、電壓比較芯片兩部分構(gòu)成。

光敏電阻也可叫作光導(dǎo)管，常用各種光敏金屬、光敏金屬化合物制作而成，常見(jiàn)的制作材料有硫化金屬（硫化鎘、硫化鋁、硫化鉛、硫化鉍）。這些材料因?yàn)樵谔囟úㄩL(zhǎng)的光照射下，具有電阻值迅速變化的特性。這是由于在光線的照射下電子奔向電源的正極，電源的負(fù)極產(chǎn)生空穴，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。

電壓比較芯片采用LM393芯片，其工作電壓較寬，2～36 V均可工作，在本系統(tǒng)中，在5 V的電壓下工作，其作用為比較電位器與光敏電阻的阻值，以確保系統(tǒng)在光照低于閾值時(shí)可得到信號(hào)，控制燈光控制模塊進(jìn)行開(kāi)燈。

2.4 WiFi控制模塊

WiFi控制模塊可以通過(guò)WiFi通道實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的遠(yuǎn)程控制，包括對(duì)燈光的開(kāi)關(guān)控制、亮度調(diào)節(jié)以及顏色自由組合變換，本系統(tǒng)定義當(dāng)云端燈光控制系統(tǒng)下“0”時(shí)，燈光關(guān)閉，“1”時(shí)開(kāi)啟隨著數(shù)字的增加，來(lái)對(duì)應(yīng)增加燈光的亮度，以此來(lái)完成對(duì)燈光亮度的調(diào)節(jié)，這是WiFi模塊獨(dú)有的可以對(duì)燈光進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的功能[2]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述

基于單片機(jī)的校園照明控制系統(tǒng)，按模塊可分為信號(hào)采集主程序和命令處理子程序。子程序主要分為初始化子程序、中斷函數(shù)子程序、功能主程序，它們之間以互相嵌套和調(diào)用，即中斷函數(shù)子程序可以調(diào)用功能子程序。根據(jù)傳感器的信號(hào)進(jìn)行所對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)輸出，它按各種所需要的預(yù)設(shè)情境再細(xì)分為不同的子程序模塊，它一般是從主程序進(jìn)入，執(zhí)行完所需的命令操作后返回主函數(shù)，從而使主程序一直在運(yùn)行。

3.2 環(huán)境光采集模塊的設(shè)計(jì)

利用傳感器把微控制器所需要的電信號(hào)從環(huán)境的光照強(qiáng)度中采集并轉(zhuǎn)化而來(lái)。傳感器除了利用光敏二極管把所需的電信號(hào)從環(huán)境光中獲取而來(lái)，還具有對(duì)所輸出的電信號(hào)進(jìn)行整流、穩(wěn)壓、放大等功能，使輸出信號(hào)穩(wěn)定，且利于采集。

本系統(tǒng)邏輯定義為：環(huán)境光亮?xí)r為邏輯“0”（符合光采集電路輸出信號(hào)狀態(tài)），暗時(shí)為“1”，人體存在為“1”，人體不存在為“0”，開(kāi)燈為“1”，關(guān)燈為“0”。

3.3 云端遠(yuǎn)程控制的設(shè)計(jì)

云端遠(yuǎn)程控制的開(kāi)發(fā)是通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制WiFi模塊。

首先需要燒錄好固件的WiFi模塊，一部安裝了本系統(tǒng)配套的APP的安卓智能手機(jī)，一根TTL線。由于不需要運(yùn)行AT指令，因此，RXD--UTXD，TXD--URXD可以不接，只需模塊開(kāi)機(jī)，手機(jī)識(shí)別到WiFi熱點(diǎn)即可，所以模塊的GPIO0這個(gè)引腳可不接。用手機(jī)搜索熱點(diǎn)，帶有ESP字符的名字，就是本系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的熱點(diǎn)，連接上它（密碼默認(rèn)為是123456789）。連接成功后打開(kāi)APP界面，點(diǎn)擊熱點(diǎn)名稱進(jìn)入控制頁(yè)面[3]。

4 系統(tǒng)的調(diào)試

控制系統(tǒng)在完成硬件及軟件部分設(shè)計(jì)后，要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行調(diào)試，排除硬件及軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中的缺陷以及排查硬件電路的故障，檢驗(yàn)控制系統(tǒng)是否可以可靠及穩(wěn)定地運(yùn)行。本次控制系統(tǒng)的調(diào)試主要分兩個(gè)步驟：arduino微控制器板的系統(tǒng)調(diào)試（硬件調(diào)試和軟件調(diào)試）及整個(gè)控制系統(tǒng)試運(yùn)行調(diào)試。

本系統(tǒng)使用8266模塊與云端相聯(lián)，協(xié)議使用的是MQTT協(xié)議，通過(guò)實(shí)際聯(lián)調(diào)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能和遠(yuǎn)程自檢功能。云端測(cè)試采用的是百度云提供的物接入服務(wù)，在項(xiàng)目列表創(chuàng)建項(xiàng)目，通過(guò)百度云提供的信息，登錄MQTT服務(wù)器，發(fā)布訂閱主題。在測(cè)試端通過(guò)發(fā)布主題數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。

發(fā)布“0”，實(shí)現(xiàn)關(guān)燈效果。通過(guò)在云端發(fā)布不同的指令，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的亮度強(qiáng)弱，燈光顏色的變化。亮度數(shù)值越小越亮，測(cè)試值返回“1”，說(shuō)明燈沒(méi)有故障。當(dāng)光度數(shù)值大于500時(shí)，測(cè)試值返回“0”，說(shuō)明光線暗，燈出現(xiàn)故障[4-5]。

5 結(jié)語(yǔ)

本課題對(duì)校園智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，通過(guò)相關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)系統(tǒng)設(shè)備（電燈）的控制，采用一個(gè)顯示器顯示整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)校園照明的自動(dòng)開(kāi)燈、關(guān)燈控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)故障控制，還設(shè)置了手動(dòng)模式，以備偶爾出現(xiàn)故障時(shí)，采用手動(dòng)操縱，不至于影響校園照明的正常應(yīng)用。充分利用了云平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，安全性高，可靠性好，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王偉.分布式智能照明系統(tǒng)及其控制算法的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2017.

[2]方東.基于云平臺(tái)的LED智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

[3]LEE H S，KWON S Y，LIM J H.A Development of a lighting control system based on context-awareness for the improvement of learning efficiency in classroom[J].Wireless Personal Communications，2015（1）：165-181.

[4]賴思恩.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇舒適性節(jié)能照明系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2014.

[5]CAICEDO D，PANDHARIPANDE A，F(xiàn)MJ W.Daylight-adaptive lighting control using light sensor calibration prior-information[J].Energy & Buildings，2014（2）：105-114.