基于物聯(lián)網(wǎng)的高校智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王華杰，鄭來(lái)芳

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原 030008）

高校圖書館成為了學(xué)生們最喜愛(ài)的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，也是使用最頻繁、人員聚集數(shù)量最大，能源需求極高的場(chǎng)所。能源的枯竭，要在設(shè)計(jì)中考慮到，利用自然光照與人工照明高效的結(jié)合，是節(jié)能的重要方法之一。[1]當(dāng)圖書館內(nèi)的師生們處于一個(gè)合理且舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，那樣不僅僅對(duì)人們的視力起到保護(hù)作用，而且會(huì)延長(zhǎng)其注意力集中的時(shí)間，以提高學(xué)習(xí)者的效率。所以，在圖書館的傳統(tǒng)照明的設(shè)計(jì)理念中，加入互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，使得圖書館照明系統(tǒng)變得更加節(jié)能、舒適、靈活，進(jìn)而滿足人們的光照要求并對(duì)人們產(chǎn)生積極影響，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)無(wú)疑是有一定的積極影響和現(xiàn)實(shí)意義[2]。

隨著網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率變的更廣泛、通訊方式的速度越來(lái)越快，輕松地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，此類系統(tǒng)迅速出現(xiàn)在市場(chǎng)之中，其可靠性高、功耗低等方面比較受到用戶的青睞，本文提出了一種以單片機(jī)為主控制模塊，將光敏元件、聲控元件接收的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，主機(jī)將發(fā)指令來(lái)控制燈的開(kāi)關(guān)和亮滅，還可以設(shè)置時(shí)間來(lái)控制所有的燈關(guān)掉，還可以通過(guò)手機(jī)app 發(fā)送指令經(jīng)WiFi 模塊到主機(jī)來(lái)遠(yuǎn)程控制燈的亮滅，用戶可以更及時(shí)、更快捷地實(shí)現(xiàn)所有燈的亮滅，滿足了圖書館的大面積關(guān)燈不需要耗費(fèi)大量人力的需求。

1 智能照明系統(tǒng)的整體構(gòu)架

就某一高校圖書館作息時(shí)間安排設(shè)計(jì)該智能照明系統(tǒng)。對(duì)圖書館照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在圖書館內(nèi)不同的區(qū)域?qū)φ彰鞑煌枨筮M(jìn)行了區(qū)域劃分；針對(duì)圖書館各區(qū)域功能的不同，需要設(shè)計(jì)不同的照明功能，因此需要對(duì)圖書館內(nèi)不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同的控制效果，燈具區(qū)域分布如圖1 所示，其中A、B、C、D 為學(xué)習(xí)區(qū)域，學(xué)生主要在該區(qū)域?qū)W習(xí)讀書，E為樓道、大廳等公共區(qū)域，F(xiàn) 為樓梯區(qū)域；系統(tǒng)針對(duì)光照環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，此系統(tǒng)也可人為遠(yuǎn)程控制，并且實(shí)現(xiàn)了方便、簡(jiǎn)易操作。

圖1 照明區(qū)域分布圖

為滿足上述要求且根據(jù)日從東方而出西方而落的自然規(guī)律，為了避免不必要的能源浪費(fèi)，本文設(shè)定冬天并且是晴天的照明規(guī)律為上午7 點(diǎn)至8 點(diǎn)A、B、C、D、E 五個(gè)區(qū)域燈全部照亮；當(dāng)8 點(diǎn)至9 點(diǎn)這個(gè)時(shí)間段時(shí)，太陽(yáng)已經(jīng)開(kāi)始照亮B 這片區(qū)域，此時(shí)B、E 區(qū)域燈自動(dòng)關(guān)閉，A、C、D 區(qū)域繼續(xù)實(shí)現(xiàn)照明功能；8：30點(diǎn)至16：30 之間自然光照充足；當(dāng)?shù)搅?6:30～17:30時(shí)，B、C、D 區(qū)域開(kāi)始照明工作；17.30～22:00 時(shí)，A、B、C、D、E、F 所有照明燈具進(jìn)行工作，其中F 區(qū)域燈具需要聲音控制才能工作，且所有燈亮度隨環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到舒適的照明環(huán)境。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況，例如陰天，需要人為操控時(shí)，此時(shí)只需要通過(guò)手機(jī)APP輸入指令就可控制所有燈具，并可調(diào)節(jié)燈具亮度達(dá)到需要的照明程度。正常來(lái)說(shuō)在22點(diǎn)就應(yīng)該關(guān)閉圖書館，但是由于傳統(tǒng)照明開(kāi)關(guān)多遍布位置不同，需要管理人員四處走動(dòng)才能關(guān)閉所有燈具，為了方便管理，只需要在手機(jī)APP 上輸入一條指令即可關(guān)閉所有燈具，如此操作簡(jiǎn)單方便，節(jié)約時(shí)間。其系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STC89C52RC 單片機(jī)作為核心處理模塊，STC89C52RC 是由宏晶公司采用Flash 存儲(chǔ)器技術(shù)制造的完全兼容了MCS-51，具有高密度且非易失的特點(diǎn)，在單個(gè)芯片中將多功能8位CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合，正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)使得可以很快被中國(guó)廣大用戶接受[3]。此系列的單片機(jī)的程序可擦寫特性，用戶在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)上都較容易，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種性價(jià)比很高的方案。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路、電源電路等組成。

2.2 光敏傳感器模塊

傳感器是一種測(cè)量元件或設(shè)備的工具，它可以將需要測(cè)量的量轉(zhuǎn)換成有一定精度的特定的物理量。傳感器的特點(diǎn)是具有高性能和高精度內(nèi)部參數(shù)。大多數(shù)傳感器組成如圖3所示。

圖3 傳感器組成框圖

光敏傳感器通俗的講就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的傳感器。為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)人們視力的同時(shí)營(yíng)造一個(gè)舒適的光照環(huán)境，本系統(tǒng)采用光敏電阻實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的功能，光敏電阻在不同的光照強(qiáng)度的條件下，電阻值變化比較大，系統(tǒng)根據(jù)阻值的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流變化[4]。通過(guò)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將光帶來(lái)的電流變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)并進(jìn)行相應(yīng)控制。其電路圖連接如圖4所示。

圖4 光敏傳感電路圖

2.3 Wi-Fi模塊

ESP8266 是有一套完整的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)功能，其低功耗、緊湊的設(shè)計(jì)以及其高穩(wěn)定性可以最大限度的滿足用戶需求[5]。E103-W01 是有超高性價(jià)比的串口轉(zhuǎn)Wi-Fi 模塊，該模塊具有模塊與模塊通信、模塊與Server通信以及模塊與Client通信的三種使用方法[6]。本系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線路由器連接到網(wǎng)絡(luò)，建立TCP或UDP Server 偵聽(tīng)連接信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)連接模塊服務(wù)器與之通信。

2.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

在現(xiàn)代的電子設(shè)備之中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路在目前的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中是不可缺少的。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊可以實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)。時(shí)鐘電路還有相應(yīng)的電源管理的功能，可以實(shí)現(xiàn)如果主電源切斷的情況與可以與備用電源進(jìn)行無(wú)縫切換，這樣可以保證了該電路的時(shí)間的準(zhǔn)確性；當(dāng)主電源在正常供電的時(shí)候，還能為備用電源充電，確保該電路的可靠性。該時(shí)鐘為智能照明系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的北京時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)智能時(shí)間控制。

2.5 聲控模塊

聲控模塊是通過(guò)聲響震動(dòng)效果觸發(fā)拾音器，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來(lái)控制用電器的開(kāi)啟，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲后自動(dòng)斷開(kāi)電子開(kāi)關(guān)，只有經(jīng)過(guò)聲響才能再次開(kāi)啟。該控制電路主要應(yīng)用于樓梯內(nèi)的燈光控制免能源浪費(fèi)的同時(shí)為人們提供照明，其電路如圖5所示。

圖5 聲控模塊電路

2.6 液晶顯示模塊

LCDl602 液晶顯示屏是一種顯示字符的液晶顯示器[7]，因?yàn)長(zhǎng)CDl602操作簡(jiǎn)單并且價(jià)格比較低，所以被人們廣泛應(yīng)用，該液晶顯示屏主要用來(lái)顯示時(shí)間、工作狀態(tài)和周遭環(huán)境亮度，可更好的反饋手機(jī)控制后的運(yùn)行結(jié)果，也方便監(jiān)測(cè)。

3 智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)方面組成：一是定時(shí)模式，定時(shí)開(kāi)關(guān)燈，自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。二是手動(dòng)模式，手機(jī)Wi-Fi遠(yuǎn)程控制所有燈的照明情況。

3.1 定時(shí)模式下功能軟件設(shè)計(jì)

定時(shí)模式下照明系統(tǒng)能通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置后傳遞給單片機(jī)，到達(dá)預(yù)設(shè)的時(shí)間后單片機(jī)發(fā)送指令控制燈的開(kāi)關(guān)，如果燈是開(kāi)著的狀態(tài)還可以根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)自身亮度。其程序流程圖如圖6所示。

圖6 定時(shí)模式流程圖

3.2 手動(dòng)模式下功能軟件設(shè)計(jì)

手動(dòng)模式下的圖書館照明系統(tǒng)可通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送指令，Wi-Fi 模塊接收到相應(yīng)的指令傳遞給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)送相應(yīng)的執(zhí)行指令控制不同燈的開(kāi)關(guān)以及亮暗，其程序流程圖如7所示。

圖7 手動(dòng)模式流程圖

3.3 Wi-Fi模塊功能軟件設(shè)計(jì)

如何將Wi-Fi 模塊與服務(wù)器連通是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信功能的關(guān)鍵一步。E103-W01 通過(guò)第三種通訊方式，設(shè)置一個(gè)While 循環(huán)函數(shù)，保證WiFi 模塊與路由器始終處于連接狀態(tài)，系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)發(fā)送AT指令，檢測(cè)WiFi模塊能否正常啟動(dòng)，是否始終發(fā)送指令確保WiFi 模塊與路由器始終處于連接狀態(tài)。[8]其程序流程圖如8所示。

圖8 Wi-Fi功能流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用通過(guò)Wi-Fi連接手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制所有燈具且在正常狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)智能照明，融合了Wi-Fi無(wú)線通訊技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、光敏傳感技術(shù)、并通過(guò)各種元器件和控制電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖書館內(nèi)的照明的智能控制。最后進(jìn)行實(shí)物的功能測(cè)試，可通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制操作，具有可靠性高、易操作的特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期效果。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，設(shè)備的越來(lái)越智能化，本設(shè)計(jì)還存在功能不是很完善的地方，比如可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)學(xué)生的多少來(lái)確定開(kāi)燈的個(gè)數(shù)，減少了人少但是燈開(kāi)的多的能源的浪費(fèi)，對(duì)于一年四季不同季節(jié)的的白天時(shí)長(zhǎng)的不同和晴天陰天的光照強(qiáng)度不同沒(méi)有做具體的分析，后續(xù)會(huì)解決這些問(wèn)題，不過(guò)未來(lái)會(huì)向越來(lái)越智能化和人性化發(fā)展。