基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)綜合控制室內(nèi)燈光系統(tǒng)

魯宇加 蔡家林 崔赫 曲灝

摘 ?要：面對市面上燈光系統(tǒng)集成度低、控制邏輯過于簡單的問題，利用雙MCU（STC89C52）的性能，集控制燈光照度、色溫、人體感知三項(xiàng)指標(biāo)為一體，同時通過使用中斷系統(tǒng)配合C語言、LoRa無線通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動控制邏輯的設(shè)計，在進(jìn)行了多次模塊化設(shè)計與調(diào)試后，設(shè)計研發(fā)出一套較為可靠的系統(tǒng)，一定程度上改善了市面產(chǎn)品存在的不足之處。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);LoRa;STC89C52;色溫;亮度

中圖分類號：TN929.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）12-0172-05

Abstract： Aimming at the problem of low integration and too simple control logic of lighting systems in the market， using the performance of dual MCU （STC89C52）， integrates the control of three indexes of lighting illumination， color temperature and human perception as a whole. At the same time， the design of automatic control logic of the system is realized by using interrupt system with C language and LoRa wireless communication. After many modular design and debugging， a set of more reliable system has been designed and developed， which has improved the shortcomings of market products to a certain extent.

Keywords： IoT; LoRa; STC89C52; color temperature; brightness

0 ?引 ?言

1991年，在美國提出“綠色照明計劃”后，大多數(shù)國家包括中國紛紛加入到綠色照明計劃中，其中最主要的當(dāng)屬智能化控制。未來城市發(fā)展必定以綠色低碳、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展為主要目標(biāo)。并且在我國“十二五”計劃中大多數(shù)發(fā)展項(xiàng)目都圍繞著綠色發(fā)展來進(jìn)行著。再者，社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們不斷改善的生活水平，更舒適、方便和安全的家庭生活逐漸地被人們所關(guān)注。

隨著智能家居行業(yè)的發(fā)展，越來越多的智能產(chǎn)品走進(jìn)了人們的生活中，這些產(chǎn)品對于人生活的影響力也逐漸增大?？v觀目前市面上在售的各類智能燈光產(chǎn)品，其都有著兩個方面的明顯缺陷，一是智能化傳感器的集成度過低，導(dǎo)致在傳感器的安裝與使用上有著諸多的不便;二是在燈光的控制上，在智能化方面都只能夠?qū)崿F(xiàn)較為簡單的燈光亮、滅的變化調(diào)節(jié)，而對于在不同場景對亮度有著的不同需求的燈光亮度調(diào)節(jié)能力仍有著明顯的不足。此外還有很重要的一點(diǎn)，人的兩眼對于色溫的適應(yīng)程度是有限的，而當(dāng)遇到陰天或無窗的環(huán)境時，色溫便只由燈光決定，故以此為契機(jī)，本設(shè)計旨在打造一款可檢測當(dāng)前室內(nèi)色溫，并對室內(nèi)色溫環(huán)境加以調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。因此，通過本設(shè)計可以做到：使燈光真正的與房間融為一體，解決了房屋燈光一體性差、自動化程度低的問題。

相比于國內(nèi)，智能照明控制在國外更多地被使用，例如日本。日本的多數(shù)醫(yī)院采用了智能照明控制系統(tǒng)，采用了光照度以及人體感應(yīng)器來對醫(yī)院大多數(shù)地方進(jìn)行自動控制并且在病房中采用了定時的控制方式保證病人的正常作息。并且歐美等國家的產(chǎn)品在中國已經(jīng)銷售大約十多年，相同的產(chǎn)品在行業(yè)中不論是名聲還是技術(shù)相比國內(nèi)自主品牌都有著極大的領(lǐng)先。

由于我國一些企業(yè)在智能燈光控制領(lǐng)域的研究時間相對較短，在國外品牌的沖擊下，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)出的一些智能控制產(chǎn)品無論是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及售前售后的能力都不及國外的品牌。

隨著現(xiàn)代社會對保護(hù)自然環(huán)境、節(jié)約能源追求可持續(xù)發(fā)展愈加重視，對于使用的燈光控制系統(tǒng)的要求逐漸增加，對硬件的穩(wěn)定性、通信、操作等方面要求更加靈活、安全等。

1 ?燈光系統(tǒng)的基本工作原理

1.1 ?燈光系統(tǒng)整體設(shè)計流程

系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)為控制核心的多模塊為一體的控制平臺進(jìn)行測量、計算、控制。在系統(tǒng)完成初始化后采集下位機(jī)信號進(jìn)行外界信號的采集，處理后通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)模塊接收到信號后進(jìn)行計算得出控制目標(biāo)后再通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送給燈光控制下位機(jī)，燈光控制下位機(jī)通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)模塊收到控制目標(biāo)的信號后將燈光控制在所得的目標(biāo)狀態(tài)。

1.2 ?燈光系統(tǒng)設(shè)計實(shí)施方案

該系統(tǒng)整體可分為兩部分：第一部分是傳感器參數(shù)整合端，該部分提供了對傳感器所有信號的讀取、接收;第二部分是信號輸出部分，該部分提供了對被控?zé)艄庀嚓P(guān)參數(shù)的控制與改變功能。

1.3 ?燈光系統(tǒng)工作原理

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計流程與采用的實(shí)施方案，確定如圖1所示的單一傳感器組件控制燈光的工作過程。其首先通過對室內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，并將所采集到的數(shù)據(jù)通過內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再將數(shù)字量發(fā)送給上位MCU進(jìn)行讀取與處理。

上位MCU與下位MCU通過LoRa實(shí)現(xiàn)串口通信，最終通過接收到相關(guān)數(shù)據(jù)的下位MCU控制LED燈組實(shí)現(xiàn)亮暗、色溫、通斷等變化。

1.4 ?通信模塊的工作原理

通過對引腳的布置，我們可以得到本文使用的通信模塊與MCU的接線原理，于是得到如圖2所示的接線圖。

1.5 ?照度傳感器模塊的工作原理

在進(jìn)行了合理的引腳部署后，我們可以得到模塊各引腳的功能。具體的，TXD作為地址引腳，對其賦值的不同可實(shí)現(xiàn)照度傳感器以不同精度輸出勒克斯（lx）數(shù)值的功能。在表1中列舉兩個關(guān)鍵模式。此外，當(dāng)TXD賦值0000_0000（懸空或接地）時，該傳感器默認(rèn)使能。因此得到該傳感器與單片機(jī)IO口接線的方式如圖3所示。

1.6 ?顏色傳感器模塊的工作原理

如圖4所示，顏色傳感器TCS-3200共有10枚引腳，其中有S0、S1、S2、S3四位作為濾波引腳來工作。不過TCS-3200的S0、S1引腳已在內(nèi)部默認(rèn)100%輸出頻率設(shè)置，即二者皆為高電平，故無需額外的接線。而S2、S3則有表2所列的濾波功能。

所以，對S2、S3提供不同的高低電平，便可獲得不同的環(huán)境光溫度的RGB值。此外，TCS-3200還設(shè)有一個OUT引腳，將其接入定時器中，該傳感器即可實(shí)現(xiàn)肉眼觀察上同時輸出的R、G、B三色數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了對外界顏色的識別。

1.7 ?人體傳感器模塊的工作原理

人體傳感器選用HC-SR501型傳感器（DYP-ME003），其表面默認(rèn)附有菲涅爾透鏡，可以折射外界的紅外線（人體所發(fā)出的紅外線）進(jìn)入傳感器部分，并進(jìn)而改變自身OUT端口的輸出電平，從而達(dá)到控制燈光亮滅的功能。需要注意的是，該模塊在通電后會有近1分鐘的自動初始化時間，期間還無法提供該模塊的正常功能。故在通電初期，為實(shí)現(xiàn)燈光系統(tǒng)的全部功能，需要先等待其經(jīng)過一個初始化的過程。接線方面，該人體傳感器較為簡單，具體接線方式如圖5所示。

2 ?硬件電路設(shè)計

2.1 ?微控制器的最小系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)項(xiàng)目所需的引腳資源以及成本所致，在MCU部分本文選用51系列單片機(jī)STC89C52，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出相應(yīng)的最小系統(tǒng)。其最小系統(tǒng)包括外部晶振部分和自動、手動復(fù)位部分，同時為所選兩塊單片機(jī)的P0口統(tǒng)一提供上拉電阻排使其使能，可以提供與其他IO口一樣的基本功能。圖6為兩單片機(jī)組成最小系統(tǒng)的原理圖。

2.2 ?上位MCU相關(guān)傳感器與通訊模塊的設(shè)計

該部分在第3章各模塊介紹中已著重說明。此外，因各個傳感器在向單片機(jī)寫入數(shù)據(jù)時具有：占用引腳數(shù)量少、數(shù)據(jù)長度最高16位的特性，故本設(shè)計將照度傳感器、顏色傳感器以及人體傳感器的輸出引腳皆分配給予P1口，以實(shí)現(xiàn)引腳功能的緊湊性。

2.3 ?下位MCU相關(guān)電路的設(shè)計

下位MCU主要為本地操作的按鍵模塊以及燈光系統(tǒng)的核心：LED冷暖色燈組提供輸入、輸出引腳。

為滿足按鍵操作的多樣性，故采用4×4按鍵矩陣作為按鍵設(shè)計，并為其分配整個P2口作為控制系統(tǒng)和燈光的交互媒介。

LED燈組內(nèi)部采用串并結(jié)合的接線方式，外部整體由VCC供電，并將兩套燈組的陰極分別接于下位MCU的P1.0、P1.1口。

具體接線如圖7、圖8所示。

2.4 ?燈光系統(tǒng)整體電路設(shè)計

綜合前文的介紹與設(shè)計以及圖2至圖8，系統(tǒng)的各模塊以及主體運(yùn)行框架已基本完整，故原理圖不單獨(dú)呈現(xiàn)。附項(xiàng)目相關(guān)實(shí)物現(xiàn)象圖供參考學(xué)習(xí)，如圖9、圖10所示。

3 ?軟件程序設(shè)計

3.1 ?軟件程序設(shè)計流程圖

根據(jù)項(xiàng)目上下位機(jī)的設(shè)置以及其功能的不同，設(shè)計了如圖11所示的流程作為程序編寫的整體邏輯參照。

3.2 ?關(guān)鍵程序部分設(shè)計

本項(xiàng)目軟件邏輯復(fù)雜程度較高，程序編寫難度較大，同時對傳感器本身精度的要求也較高，在第三章硬件選型基礎(chǔ)上進(jìn)行額外的通信與控制調(diào)試，仍暫無法完整實(shí)現(xiàn)最初所設(shè)定的所有功能。但在絕大多數(shù)關(guān)鍵部分上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能，后續(xù)還待改進(jìn)模塊并進(jìn)行調(diào)試。

在程序的編寫過程中，有部分模塊的對應(yīng)程序函數(shù)較為重要，其中包括：無線串口通信模塊通信程序?qū)?yīng)的通信校驗(yàn)函數(shù)uart_crc（）、data_valid（）;照度傳感器工作程序的部分傳感器觸發(fā)函數(shù)Multiple_read_BH1750（）、BH1750_Start（）、BH1750_Stop（）;燈光模塊手動、自動光色轉(zhuǎn)換程序中利用了MCU的中斷0以及中斷1，以此手動產(chǎn)生穩(wěn)定的PWM脈沖程序控制不同色溫?zé)魧?yīng)的亮度。

4 ?結(jié) ?論

本文所設(shè)計的室內(nèi)燈光系統(tǒng)綜合了多種傳感器的應(yīng)用、LoRa寬頻無線通信技術(shù)相關(guān)模塊的應(yīng)用、手動與自動控制相結(jié)合的應(yīng)用以及對燈光色溫、亮度等參量的整體分析與設(shè)計。是一個集成度較高、工程量較大、實(shí)用價值較高的綜合系統(tǒng)。

通過對本燈光系統(tǒng)設(shè)計的學(xué)習(xí)與了解，可以掌握相關(guān)燈光調(diào)控功能傳感器的應(yīng)用常識，同時對物聯(lián)網(wǎng)通信也會有較為深入的掌握、對單片機(jī)的串口工作原理有更深層次的理解。這也是本研究帶來的額外價值。

回到系統(tǒng)本身，在進(jìn)行模塊整合的過程中，我們遇到了一些程序邏輯無法解決的問題，其中最為突出的即是光強(qiáng)度與色溫的共調(diào)節(jié)問題，二者的兼容調(diào)節(jié)涉及雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的實(shí)踐，但由于時間問題，我們沒能搭建出一套完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)，但已經(jīng)做好了相關(guān)軟硬件接口，方便后續(xù)的研究或他人進(jìn)行借鑒。

總體而言，本項(xiàng)目完成度并不是很高，距離真正成為產(chǎn)品化設(shè)計還有一定差距。但就當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)的效果而言，仍可說該系統(tǒng)已然是一套簡潔、可實(shí)際應(yīng)用的燈光系統(tǒng)。

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作者簡介：魯宇加（1999—），男，漢族，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，本科在讀，研究方向：電力電子與傳動;蔡家林（1999—），男，漢族，福建福州人，本科在讀，研究方向：電力電子與傳動;崔赫（1999—），男，朝鮮族，吉林吉林人，本科在讀，研究方向：電力系統(tǒng)與自動化;曲灝（2000—），男，漢族，北京人，本科在讀，研究方向：電力電子與傳動技術(shù)。