遠(yuǎn)程無線燈光智能控制開關(guān)的設(shè)計

趙 虎

(阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 阜陽 236031)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平也越來越高，對生活的城市環(huán)境以及居住的房屋質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，在追求外形的同時在功能設(shè)計上要求更為便捷、自動化[1]。其中，對于照明系統(tǒng)要求更為嚴(yán)格。例如，當(dāng)進(jìn)行燈光打開或者關(guān)閉的時候，想要在原有的基礎(chǔ)上添加人性化的設(shè)計理念，可以讓燈光開關(guān)進(jìn)行自動化的操作。當(dāng)出門在外，可以在移動接口上控制燈光的關(guān)閉、亮度的調(diào)節(jié)、線路的自動斷開等相關(guān)自動化控制。上述的需求，進(jìn)一步促進(jìn)了遠(yuǎn)程燈光開關(guān)智能化控制的研究，本文主要就電子系統(tǒng)在開關(guān)設(shè)計方面進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的分析，通過對于全過程的重點闡述，來達(dá)到優(yōu)化照明控制系統(tǒng)的最終目的。

1 國內(nèi)外照明燈光開關(guān)智能化設(shè)計的現(xiàn)狀和定位

1.1 市場研究現(xiàn)狀

智能化燈光遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是一個集計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)以及智能化自動控制技術(shù)為一體的具有科學(xué)性的綜合化的高效系統(tǒng)[2]。在運用該系統(tǒng)時，能夠?qū)⑻幱诓煌轿缓偷囟蔚氖彝鉄艄膺M(jìn)行遠(yuǎn)程的操控，以用于日常設(shè)備的正常維護(hù)檢查。該大型系統(tǒng)在國內(nèi)市場使用場合較為廣泛，可用于城市的道路照明系統(tǒng)、高速照明系統(tǒng)、鐵路照明系統(tǒng)以及城市公交廣告牌、廣告樓宇等多個具有現(xiàn)代化標(biāo)志的公共場合。因此，計算機信息化技術(shù)的發(fā)展，引導(dǎo)了智能化燈光開關(guān)控制系統(tǒng)的擴張以及普及。在原有的數(shù)據(jù)資料傳輸方式的標(biāo)準(zhǔn)之下，有關(guān)遠(yuǎn)程燈光控制體系的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下四個發(fā)展階段：第一，20世紀(jì)80年代末期，采用220V家用電壓所形成的電力化有線控制方式；第二，20世紀(jì)90年代中期，在電話線和電力線的基礎(chǔ)上進(jìn)行線路的搭載進(jìn)行燈光的控制；第三，20世紀(jì)末期，采用230赫茲頻率的專用無線通信頻道進(jìn)行無線化傳輸，最終作用于開關(guān)的控制；第四，21世紀(jì)初期，在通訊網(wǎng)絡(luò)化體系之下，借助中國移動、連通以及典型的短訊信息進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的傳輸與控制。相比于國外較為普遍的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行燈光電箱以及社會基礎(chǔ)設(shè)施的照明自動化控制，國內(nèi)在燈光電子照明控制系統(tǒng)上仍舊處于較為落后的狀態(tài)。在城市的燈光控制上，采用安排大量的人力進(jìn)行巡查和開關(guān)的方式，不僅需要一定的人力資源和管理費用，還降低了實際的效率，很難在現(xiàn)代化進(jìn)程中站穩(wěn)腳跟[3]。

1.2 發(fā)展定位

結(jié)合現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程，進(jìn)行綜合考究和分析，得知未來有關(guān)智能化遠(yuǎn)程燈光無線控制開關(guān)的研發(fā)和設(shè)計方向大致如下：第一，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度更快、所包含的數(shù)據(jù)量更廣、信息安全性能有所保障。隨著現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)流量的大面積普及，在4G時代的背景之下，在燈光控制系統(tǒng)中有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的吞吐數(shù)量在原有基礎(chǔ)上有所增加，從而有效地將系統(tǒng)功能進(jìn)一步優(yōu)化和拓展?？梢越⑦h(yuǎn)程控制中心來進(jìn)行通信的連接和處理，全面實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和無線燈光智能化控制的搭建[4]。在接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以后，工作人員可以借助電子設(shè)備對燈光系統(tǒng)進(jìn)行全方位的實時監(jiān)控，并保障設(shè)備的正?；\作，以提高照明系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第二，在整個燈光照明系統(tǒng)中，還可以加入一定的節(jié)能化操控設(shè)置。根據(jù)實際照明系統(tǒng)的運行情況，有針對性地對于某個時間段或區(qū)域化設(shè)置各種節(jié)能化控制系統(tǒng)，這樣不僅可以節(jié)約成本還能促進(jìn)生態(tài)資源的可持續(xù)發(fā)展。例如：可以通過在控制系統(tǒng)上集成光敏傳感器來進(jìn)行成本的把控。當(dāng)周圍的自然光線強度等級低于光敏傳感器設(shè)置的最低參數(shù)數(shù)值時，燈光智能化控制系統(tǒng)會發(fā)出信息指令，打開燈光開關(guān)進(jìn)行日常的照明。相反，當(dāng)光線強度高于設(shè)定的最大值時，便自動關(guān)閉燈光，以達(dá)到節(jié)約電力。第三，建設(shè)更加科學(xué)化的管理制度。對于城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的照明系統(tǒng)，在管理上要趨于現(xiàn)代化和先進(jìn)化。在運行智能化燈光控制系統(tǒng)時，要對系統(tǒng)產(chǎn)生和傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行系統(tǒng)的收集與處理。只有保證信息化及時處理，才能在第一時間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因和解決方案。同樣的，該系統(tǒng)的科學(xué)化管理也在很大程度上提高了整體燈光控制系統(tǒng)的運行效率，對于城市的建設(shè)有著極其重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)代化意義。當(dāng)全面實現(xiàn)智能化燈光系統(tǒng)控制時，在獲取設(shè)備的運行參數(shù)上更加快速、準(zhǔn)確，能及時做出故障的維修，將傳統(tǒng)的人工巡查方式轉(zhuǎn)變?yōu)檩啌Q值班的方式，極大程度上減輕了城市燈光控制的成本資源，提高了照明體系的設(shè)備使用壽命。

2 遠(yuǎn)程無線燈光智能化開關(guān)控制系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計

在進(jìn)行遠(yuǎn)程無線燈光智能化開關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要準(zhǔn)備以下幾種電子元件或通信元件：微型處理器、無線系統(tǒng)接收模塊、光線采集模塊、太網(wǎng)接口模塊、開關(guān)按鍵、顯示器、儲存器、固態(tài)繼電器以及進(jìn)行功率調(diào)整的模塊[5]，其整體結(jié)構(gòu)組成框架圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程無線燈光智能控制開關(guān)組成

為進(jìn)一步實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線燈光控制開關(guān)時，可采用三種系統(tǒng)的控制方式：無線遙感技術(shù)、按鍵以及遠(yuǎn)程終端控制[6]。第一種遙感方式是利用通信技術(shù)來進(jìn)行頻率上的對應(yīng)；遠(yuǎn)程終端控制則是通過太網(wǎng)以及微型處理器之間的通信數(shù)據(jù)來進(jìn)行有效的控制。整個控制系統(tǒng)就其工作原理上可以歸納為，相關(guān)操作者根據(jù)實際的情況來選用最為便捷的方式進(jìn)行智能化的燈光開關(guān)控制，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出一系列的操控指令以后，微型處理器要對接收到的指令進(jìn)行密碼破譯，從而調(diào)動相應(yīng)的處理程序?qū)艄忾_關(guān)或者光照強度等級進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)動。同時，當(dāng)光線感應(yīng)模塊在進(jìn)行正常的光線采集過程中，將采集的光線數(shù)據(jù)及時送入到微型處理器中，隨后仍舊會根據(jù)接收的指令做出智能化的執(zhí)行操作。如果當(dāng)遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)要進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和收集操作時，只需要將太網(wǎng)通信程序進(jìn)行調(diào)動便可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的通信。

3 遠(yuǎn)程無線智能化開關(guān)控制系統(tǒng)相關(guān)硬件電路設(shè)計

3.1 信號接收無線化模塊的設(shè)計

在進(jìn)行數(shù)據(jù)信號接收的過程中采用無線的方式是借助射頻通信的技術(shù)來完成的[7]。通常是采用內(nèi)部包含有常用的編碼芯片PT2262的發(fā)射電路以及具有解碼芯片的接收模塊。在原有編解碼芯片所包含的3種地址管腳基礎(chǔ)上，進(jìn)行重新的組合，可以任意組合出大約600000個地址碼。只有當(dāng)接收地址保持一致的時候，才能進(jìn)行正確的信息收發(fā)操作。因此，在進(jìn)行無線接收模塊的設(shè)計時，可以利用該地址碼更快地實現(xiàn)無線通信，其硬件電路相比于此就顯得更加簡單了。具體的設(shè)計細(xì)節(jié)：在進(jìn)行集成電路設(shè)計的實際過程中，所選用和設(shè)置的有效震蕩電阻要進(jìn)行性能上的匹配，否則會導(dǎo)致當(dāng)信號接收的距離變短后無法準(zhǔn)確的接受到信息。其次，對于無線通信的距離問題要進(jìn)行充分的考慮，再進(jìn)行燈光智能化控制開關(guān)系統(tǒng)的布局。

3.2 光線采集模塊化設(shè)計

對于整個系統(tǒng)的光線采集所利用的是光線傳感器。ISL29004是新的一代光感數(shù)字傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由電流放大器以及轉(zhuǎn)換器、過濾波器等相關(guān)電子元件所組成[8]。這個系統(tǒng)能夠在照明系統(tǒng)正常運作的過程中，通過傳感器將光強進(jìn)行數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換從而經(jīng)過輸出信號器，進(jìn)行信號的輸出。該數(shù)字傳感器包含有一個命令寄存器、一個控制寄存器以及兩個中斷閾值寄存器、四個數(shù)據(jù)寄存器。將命令寄存器在控制系統(tǒng)之間進(jìn)行模式和數(shù)據(jù)位數(shù)的轉(zhuǎn)換并使得寄存器在系統(tǒng)設(shè)定的信號上進(jìn)行一定的增益，從而根據(jù)增益的大小范圍來選擇實際的光照強度等級的檢測大小。設(shè)計中為節(jié)約系統(tǒng)運行的成本，要對無線智能化開關(guān)的系統(tǒng)在安裝布局上進(jìn)行綜合的考慮，所選取的光線傳感器其選址編碼為11。下圖2是該系統(tǒng)的光線收集模塊以及微型處理器的相關(guān)連接示意圖。

圖2 光線采集模塊與微處理器的連接

3.3 接口模塊采用以太網(wǎng)的設(shè)計

在實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線燈光智能化控制開關(guān)的設(shè)計時，要進(jìn)一步實現(xiàn)對智能化開關(guān)的遠(yuǎn)程控制功能，需要借助網(wǎng)絡(luò)科技技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)的接口模塊設(shè)計上采用以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行接口芯片的安裝。目前，以太網(wǎng)接入的網(wǎng)絡(luò)接口在其自身的形式上存在很多種類，常見的有：RTL8019AS、PT2000等[9]。由于上述的芯片在自身結(jié)構(gòu)上具有一定的局限性，在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜且開發(fā)難度大，當(dāng)使用這些芯片的時候會出現(xiàn)開發(fā)周期較長、體積大、成本較高等一系列不利于經(jīng)濟效益的影響因素。為有效避免出現(xiàn)上述的局限，在進(jìn)行接口模塊設(shè)計時最優(yōu)的方案是在減少產(chǎn)品開發(fā)周期的同時，減小產(chǎn)品的相關(guān)體積以及造價成本。在本文的設(shè)計中，選用的是美國微軟科技公司研發(fā)生產(chǎn)的一種太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口芯片。該芯片是通過在總線與處理器之間搭設(shè)連接方式，來實現(xiàn)通信的，在一定程度上簡化了系統(tǒng)的設(shè)計程序，更加快速便捷進(jìn)行接口信號的處理。

3.4 進(jìn)行系統(tǒng)功率模塊化調(diào)整的設(shè)計

在整個照明系統(tǒng)中，對于光線以及光照強度的調(diào)整，主要是通過對電子元件的功率進(jìn)行調(diào)整來達(dá)到光能的轉(zhuǎn)換。因此，當(dāng)系統(tǒng)在正常運行的過程中，需要對燈光的強度等級進(jìn)行處理時，需要借助微型處理器進(jìn)行功率的調(diào)整。

4 智能化燈光開關(guān)軟件的設(shè)計

在進(jìn)行燈光開關(guān)的智能化設(shè)計時，其系統(tǒng)主要由無線通信數(shù)據(jù)處理程序、光線傳感器驅(qū)動程序、光線采集數(shù)據(jù)處理程序以及網(wǎng)絡(luò)化接口驅(qū)動程序等相關(guān)部分組成[10]。其中，無線通信程序主要是通過遠(yuǎn)程遙感技術(shù)對系統(tǒng)的命令進(jìn)行一定的解碼和有效的識別，根據(jù)制定的系統(tǒng)協(xié)議將相應(yīng)的數(shù)字編碼進(jìn)行處理和傳輸。光線傳感器程序則是在整個照明系統(tǒng)中安裝具有光感傳感性能的數(shù)字化傳感器。當(dāng)進(jìn)行光線采集的時候，則是利用光線采集數(shù)據(jù)處理程序以及波形程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和運算。在對智能化開關(guān)軟件進(jìn)行硬件設(shè)施選取時，要對整體資源進(jìn)行綜合的考量。當(dāng)系統(tǒng)完整的協(xié)議無法實現(xiàn)目標(biāo)時，需要對其進(jìn)行可行的精簡。根據(jù)實際的工作原理，當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制時，需要對相關(guān)協(xié)議進(jìn)行簡化的修改來達(dá)到實現(xiàn)自動化驅(qū)動的目的。

圖3 光強功率調(diào)整模塊的電路原理

例如：在對現(xiàn)代家居進(jìn)行燈光設(shè)計時，為起到智能化的操控，可將燈光系統(tǒng)設(shè)計為智能化操控，并與移動客戶端建立起緊密的聯(lián)系，用戶只需要根據(jù)設(shè)定的環(huán)境來選擇燈光類型即可。當(dāng)外部環(huán)境較為明亮?xí)r，室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)設(shè)置光敏感應(yīng)器，超過設(shè)定的光度值便自動調(diào)節(jié)成最佳的照明亮度，光強功率調(diào)整模塊的電路原理(如圖3所示)，真正意義上實現(xiàn)智能化的有效設(shè)計，為人們的現(xiàn)代化生活提供更為便捷的服務(wù)。

5 結(jié)束語

由此可見，在現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的背景之下進(jìn)行遠(yuǎn)程無線燈光智能化開關(guān)設(shè)計時，可通過無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、光線傳感技術(shù)以及以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口芯片的綜合應(yīng)用來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化。采用上述技術(shù)不但能在原有的燈光照明控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)對城市基礎(chǔ)設(shè)施的照明系統(tǒng)的有效、無線、自動化控制，還能在一定程度上減少人力物力資源，節(jié)約社會成本造價?？偟膩碚f，該智能化燈光控制系統(tǒng)具有操作簡便、體積小以及運作效率高的特征，是現(xiàn)代化城市建設(shè)以及公共設(shè)施建設(shè)的必備產(chǎn)品，相信隨著系統(tǒng)的不斷研發(fā)和改善能夠有效地推動國家的經(jīng)濟資源可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。