基于聲光傳感器的照明電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代婷婷

隴南師范高等?？茖W(xué)校，甘肅 隴南 742500

0 引言

照明設(shè)備作為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾M成部分，對(duì)照明電路的運(yùn)行效率、功率消耗有嚴(yán)格要求[1]。在計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的協(xié)同發(fā)展下，照明設(shè)備及照明電路的種類逐漸增多，其功耗、運(yùn)行效率與質(zhì)量的管理難度逐漸升高[2]?？茖W(xué)合理的照明電路控制系統(tǒng)至關(guān)重要，能夠直接控制照明電路的運(yùn)行狀況，并根據(jù)不同環(huán)境光源的需求，提供相應(yīng)的照明電路控制方案，調(diào)節(jié)照明設(shè)備的照明模式，避免出現(xiàn)能源消耗過大的情況[3]。

現(xiàn)階段，我國在照明電路控制系統(tǒng)方面的研究逐漸成熟。然而，受到部分自然因素與技術(shù)因素的影響，在電路控制系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)照度遠(yuǎn)程控制方面仍然存在一定的不足，照明方式存在限制性，過于單一化，嚴(yán)重降低了照明電路控制的整體效果[4]。聲光傳感器作為傳感器的一種，主要以超聲波與光波作為傳輸介質(zhì)，可以根據(jù)系統(tǒng)客戶端發(fā)出的請(qǐng)求，接收并分析照明控制命令，并及時(shí)作出響應(yīng)，從而改善傳統(tǒng)照明電路控制系統(tǒng)的不足[5]?；诖?，文章在傳統(tǒng)照明電路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入聲光傳感器，對(duì)系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種新的控制系統(tǒng)，為照明設(shè)備的高效運(yùn)行提供保障。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了提升照明電路控制系統(tǒng)硬件的運(yùn)行效率與質(zhì)量，文章在傳統(tǒng)電路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用C/S硬件架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章設(shè)計(jì)的基于聲光傳感器的照明電路控制系統(tǒng)采用AT 75C5型號(hào)的單片機(jī)，其具有較高的兼容性，能夠節(jié)省照明電路的耗電量[6]。系統(tǒng)的電源模塊采用交流220 V電壓，設(shè)置其直流電壓為24 V，能夠?yàn)镃PU進(jìn)行可靠供電。系統(tǒng)CPU采用型號(hào)為236-2 TL/MD的集成CPU，與通信PN口之間建立連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換[7]。系統(tǒng)的傳感器采用MTL-4165C5型號(hào)的聲光傳感器，其尺寸為35 mm×109 mm，由發(fā)送器、接收器、投光器、受光器與控制器組成，聲波發(fā)射端的脈沖電信號(hào)為25～40 kHz，通過傳感器振動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的聲波，生成電信號(hào)，經(jīng)過濾波處理后，傳送給系統(tǒng)單片機(jī)[8]。設(shè)置傾角傳感器的比例電壓輸出與負(fù)載驅(qū)動(dòng)能量測量范圍，保證其運(yùn)行的工作溫度在-45～120 ℃。

根據(jù)照明電路控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，不斷調(diào)節(jié)傳感器的檢測亮度，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)的處理操作后，實(shí)現(xiàn)照明電路調(diào)光、節(jié)能的目標(biāo)。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器采用HT-5520T3型號(hào)的高效LED驅(qū)動(dòng)器，成本較低，在系統(tǒng)運(yùn)行中起到升降電壓的控制作用。設(shè)置LED驅(qū)動(dòng)器芯片的運(yùn)行效率大于90%，輸入電壓在8～450 V范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電流變化平穩(wěn)。通過上述照明電路控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在照明電路控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)束后，對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行全方位設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)照明電路控制系統(tǒng)中的不足。

2.1 光照信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

光照信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)照明電路控制系統(tǒng)的運(yùn)行有重要意義。首先，結(jié)合聲光傳感器的采集作用，設(shè)計(jì)光照信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊。選取合適的光照強(qiáng)度與光照條件，設(shè)置采集模塊的采集時(shí)間間隔，控制照明設(shè)備與聲光傳感器之間的距離。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置照明設(shè)備在開啟與關(guān)閉狀態(tài)下的光照度數(shù)據(jù)采集參數(shù)及設(shè)備照度平均值，如表1所示。

表1 照明設(shè)備光照度數(shù)據(jù)采集參數(shù)

先獲取照明設(shè)備的照度值，制訂對(duì)應(yīng)的照明電路調(diào)試規(guī)劃方案，安裝PLC調(diào)試程序，再與中控室上位機(jī)及數(shù)據(jù)采集模塊之間建立連接，通過中控室能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控照明電路控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

2.2 照明設(shè)備管理模塊設(shè)計(jì)

在光照信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)結(jié)束后，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的照明設(shè)備管理模塊進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。將照明設(shè)備管理模塊與系統(tǒng)的通信端口連接，通過串口接口接入通信網(wǎng)絡(luò)下的局域網(wǎng)。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)整體的照明設(shè)備管理模塊進(jìn)行區(qū)域劃分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，照明設(shè)備管理模塊主要分為照明分區(qū)管理子模塊、燈具信息管理子模塊、通信狀態(tài)跟蹤子模塊、自動(dòng)調(diào)光子模塊、照明場景設(shè)置子模塊及遠(yuǎn)程控制子模塊6個(gè)模塊。其中，照明分區(qū)管理子模塊為設(shè)備管理模塊的主要入口分區(qū)，通過設(shè)計(jì)該模塊，可以使系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)照明控制區(qū)域?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立操作的目標(biāo)，通過快速切換按鈕，可以根據(jù)照明任務(wù)實(shí)時(shí)切換設(shè)備照明區(qū)域；燈具信息管理子模塊主要負(fù)責(zé)照明設(shè)備關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)、照明使用場景信息存儲(chǔ)、燈具節(jié)點(diǎn)管理等，通過系統(tǒng)PC端，將燈具信息發(fā)送到通信模塊，進(jìn)行照明燈具模組的控制管理；通信狀態(tài)跟蹤子模塊負(fù)責(zé)跟蹤處理照明設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)反饋給系統(tǒng)終端；自動(dòng)調(diào)光子模塊負(fù)責(zé)調(diào)控照明設(shè)備的照度狀態(tài)，基于傳感器的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光與照明的目標(biāo)；照明場景設(shè)置子模塊負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)設(shè)備照明時(shí)間、照明亮度與設(shè)置照明場景，針對(duì)不同的照明需求，選取舒適度較高的照明場景；遠(yuǎn)程控制子模塊作為配置調(diào)控模塊，能夠初始化系統(tǒng)時(shí)間，對(duì)照明設(shè)備與照明目標(biāo)進(jìn)行批量控制，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)照明設(shè)備的開關(guān)，全方位實(shí)現(xiàn)照明電路控制系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化管理目標(biāo)。

圖1 照明設(shè)備管理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 照明控制程序設(shè)計(jì)

照明控制程序作為照明電路控制系統(tǒng)中的重要組成部分，直接決定照明設(shè)備的照明運(yùn)行模式。首先，選取適用于照明電路控制系統(tǒng)的通信協(xié)議，實(shí)時(shí)采集并反饋照明設(shè)備的運(yùn)行狀況，發(fā)送與接收系統(tǒng)的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)；在選取通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)照明控制程序的運(yùn)行流程，如圖2所示。

如圖2所示，首先，利用聲光傳感器，采集照明設(shè)備的初始化運(yùn)行數(shù)據(jù)，將運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，利用數(shù)據(jù)讀取器，讀取照明電路信號(hào)；通過系統(tǒng)的主控模塊，定期發(fā)送照明電路命令請(qǐng)求信號(hào)，主控子模塊在接收到請(qǐng)求信號(hào)后，根據(jù)請(qǐng)求信號(hào)的位置反饋定位信號(hào)；照明電路控制系統(tǒng)接收定位信號(hào)后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的客戶端命令，完成照明電路的控制。

圖2 照明電路控制程序流程圖

3 系統(tǒng)測試

為了客觀分析文章設(shè)計(jì)的基于聲光傳感器的照明電路控制系統(tǒng)的可行性，進(jìn)行了系統(tǒng)測試。搭建系統(tǒng)測試環(huán)境，服務(wù)器硬件采用Windows Server 2008操作系統(tǒng)，CPU為Intel(R)Xeon(R) Silver 4214，硬件內(nèi)存為64 G，服務(wù)器代理為Tomcat；客戶端硬件采用Windows 10專業(yè)版操作系統(tǒng)，瀏覽器為Google Chrome，CPU為Inter Core i5-12640KF，硬件內(nèi)存為16 G；系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)帶寬為1 000 M。將文章設(shè)計(jì)的照明電路控制系統(tǒng)應(yīng)用到測試環(huán)境中，先采用白盒測試的方法，測試系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的運(yùn)行狀況是否符合預(yù)期，結(jié)果如表2所示。

表2 照明電路控制系統(tǒng)功能模塊測試結(jié)果

如表2所示，通過白盒測試可以得知，文章設(shè)計(jì)的照明電路控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊的測試結(jié)果均符合預(yù)期目標(biāo)，表明系統(tǒng)功能模塊運(yùn)行狀況良好，滿足照明電路的照明需求。然后，采用MATLAB分析軟件，全方位地對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行多次分析測試。為了使測試結(jié)果更加具有對(duì)比性，將文章設(shè)計(jì)的基于聲光傳感器的照明電路控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的照明電路控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比兩種系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的能耗及響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種系統(tǒng)的能耗及響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

根據(jù)表3的測試結(jié)果可知，在兩種照明電路控制系統(tǒng)中，文章設(shè)計(jì)的基于聲光傳感器的控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電路能耗低于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間更短，能夠快速對(duì)照明電路控制作出響應(yīng)，系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果更加具有優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

綜上所述，為了改善傳統(tǒng)照明電路控制系統(tǒng)運(yùn)行效率較低、能耗較大的問題，文章在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入聲光傳感器，對(duì)系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行了全方位的改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過應(yīng)用新系統(tǒng)，可以降低照明設(shè)備使用中產(chǎn)生的能耗，且系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度較快，根據(jù)不同用戶的照明需求，可以提供對(duì)應(yīng)的照明電路控制方案，顯著提升了用戶的整體體驗(yàn)。