光照度傳感器在智能家居照明系統(tǒng)中的應用

鐘柱培

東莞理工學校， 廣東東莞 523000

0 前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展和居民對生活質(zhì)量要求的提高，越來越多的家居設備變得更加智能，傳統(tǒng)家居正逐漸被智能家居所取代，智能家居行業(yè)得到了空前發(fā)展。智能照明系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，具有高效節(jié)能、管理簡單、控制多樣化、控制成本低等特點。智能照明技術在智能家居中得到應用和推廣，進一步促進智能家居數(shù)字智能化的發(fā)展，讓人們的日常生活更舒適、更便利。光照度傳感器是智能照明系統(tǒng)中的核心光感模塊，它可以根據(jù)環(huán)境測定的光強度值設定不同的場景，以滿足人們?nèi)粘Ｉ畋憷男枰?/p>

1 光照度傳感器的工作原理

光照度傳感器是基于光的原理發(fā)展的，是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器[1]。它采用熱點效應原理，通過對弱光性有較高反應的探測部件工作，就像相機的感光矩陣一樣，內(nèi)部有繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層，熱接點在感應面上，而冷結點則位于機體內(nèi)，冷熱接點產(chǎn)生溫差電動勢，在線性范圍內(nèi)，輸出與可見光照射度成正比的電信號。光照度傳感器具體工作過程為：可見光通過濾光片過濾后照射到光敏元件上，光敏元件根據(jù)光照度大小轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)過放大進入傳感器的處理器系統(tǒng)處理后，輸出需要得到的二進制電信號[2]。

光照度傳感器按輸出信號可分為有線輸出和無線輸出2種方式。有線輸出方式是指光照度傳感器輸出信號通過RS485總線與外界通信，實現(xiàn)其自動控制的目的，其內(nèi)部結構框圖如圖1所示[3]；而無線輸出方式是指光照度傳感器將光信號精準轉(zhuǎn)化為模擬電信號，再經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后通過I2C與ZigBee模組通信，把光照度值上傳給網(wǎng)關、云端，最后到達用戶手機App上顯示，其內(nèi)部結構圖如圖2所示[4]。

2 光照度傳感器在智能家居照明系統(tǒng)中的作用

隨著科技的進步和現(xiàn)代生活的快速發(fā)展，照明系統(tǒng)應用中簡單的開關控制已不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?。在萬物互聯(lián)的時代背景下，照明系統(tǒng)控制也要實現(xiàn)智能化，以滿足人們實際應用的需求。本文采用無線式的光照度傳感器（TLGT101W-C1），實物圖如圖3所示，傳感器電路板如圖4所示。該光照度傳感器主要由傳感檢測處理模塊和ZigBee通訊模塊2部分組成。其中，光照檢測處理模塊是至關重要的一環(huán)，通過傳感器內(nèi)置的光敏元件，能夠?qū)⑽⑷踝兓墓庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大、濾波、比較等處理后傳入ZigBee模塊，最后以無線形式傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關主控制器進行邏輯分析與判斷，以按照人們的要求控制相關的終端設備[5]。光照控制系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

無線光照度傳感器其實是一個基于ZigBee技術的光照度傳感器。ZigBee技術是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標準，網(wǎng)絡層由ZigBee技術聯(lián)盟制定，應用層的開發(fā)根據(jù)用戶自己的需要對其進行開發(fā)利用，因此，該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式[6]。

3 光照度傳感器在智能家居照明系統(tǒng)中的應用

在智能家居照明系統(tǒng)中，應用光照度傳感器對環(huán)境光照度進行實時的數(shù)據(jù)收集無線傳輸，顯示并自動調(diào)節(jié)燈、窗簾等家居終端設備，構建一個舒適方便的環(huán)境，滿足人們?nèi)粘Ｉ畋憷男枰?。光照度傳感器在智能家居照明系統(tǒng)中安裝與調(diào)試如下。

3.1 光照度傳感器的安裝

光照度傳感器應安裝在四周空曠、感應面以上沒有任何障礙物的地方，將探測面對著被檢測環(huán)境需要檢測的部分。安裝步驟如下：先把傳感器的底部支架通過螺絲固定在天花板上，再把傳感器順時針方向螺旋轉(zhuǎn)到支架上，安裝圖解如圖6所示[7]。安裝固定后，插上充電線即能啟動光照度傳感器。

3.2 光照度傳感器的調(diào)試

3.2.1 光照度傳感器設置

在網(wǎng)關允許入網(wǎng)條件下，打開智慧家居App和彩燈App，短按光照度傳感器RESET鍵一下，綠燈閃爍進入找網(wǎng)狀態(tài)，當光照度傳感器綠色指示燈熄滅說明入網(wǎng)成功，可在設備列表里面看到入網(wǎng)成功的光照度傳感器，如圖7和圖8所示[8]。

使用抓包軟件Ubiqu抓包，抓包流程如圖9所示，入網(wǎng)時會上報光照度值等[9]。

抓包圖片指令說明：

（1）由設備發(fā)出，請求入網(wǎng)，設備一般會全信道掃描找網(wǎng)；

（2）設備關聯(lián)請求入網(wǎng)；

（3）設備數(shù)據(jù)請求，時長一般為60 s左右；

（4）查看到給設備分配的短地址；

（5）傳輸key；

（6）設備向網(wǎng)關廣播；

（7）網(wǎng)關回應設備，此時設備已經(jīng)入網(wǎng)，但網(wǎng)關還沒有識別設備相關信息，如圖10所示：

（8）網(wǎng)關向設備發(fā)出的節(jié)點請求，設備給網(wǎng)關回應的節(jié)點數(shù)，如圖11所示：

（9）網(wǎng)關請求設備的描述符，設備回應網(wǎng)關描述符，如圖12所示[10]：

（10）設備入網(wǎng)結束，并在App上顯示該設備；

（11）狀態(tài)變更通知；

（12）狀態(tài)恢復通知；

（13）電量上報；

（14）查看光照度值。

短按光照度傳感器RESET鍵一下，綠燈閃爍，表示光照度傳感器已經(jīng)退出ZigBee 網(wǎng)絡，也可以在App上退網(wǎng)。

3.2.2 光照度傳感器測試

當光照度傳感器安裝完成并入網(wǎng)成功后，光照度傳感器就進入了工作狀態(tài)，會實時地檢測室內(nèi)的溫濕度并上報到手機，打開手機App的設備詳情就可以看見上報的數(shù)據(jù)，如圖13所示[11]。

3.2.3 光照度傳感器聯(lián)動運行

在App智能界面上添加條件為設備聯(lián)動，添加的條件為光照度傳感器，設置光照度值（Lux），添加的動作為需要聯(lián)動的場景。先設置太暗了、太亮了2個場景，當光照度值小于50 Lux值綁定提高燈的亮度場景，光照度值大于50 Lux綁定降低燈的亮度場景，如光照度值達到設定值時觸發(fā)對應綁定的場景。

（1）場景設定：在App智能初始界面上點擊場景，可以對場景進行配置，如圖14所示。

點擊場景列表界面右上角的配置，在彈出來的界面窗口中點擊場景配置，并輸入管理員密碼就可以進行新場景配置，如圖15所示，新場景配置主要配置場景名稱，這里輸入的內(nèi)容是根據(jù)情景的內(nèi)容分析進行命名為“太暗了”，并勾選編輯設備中的彩燈，把它的開光設置為“on”，如圖16所示，點擊彩燈右上角進入彩燈設置，滑動底部滑條對亮度進行調(diào)配，滑動到右邊把亮度調(diào)高，點擊保存，如圖17所示，添加新場景完成，并可在場景列表中看到剛才新添加的“太暗了”的場景[12]。

同理，添加“太亮了”的場景，并在場景列表中可以看到這2個新加進來的場景，如圖18所示。

（2）場景聯(lián)動：在App智能界面上添加條件為設備聯(lián)動，添加的條件為光照度傳感器，因此需要進入光照度傳感器的“設備詳情”添加智能聯(lián)動，如圖19所示[13]。點擊智能聯(lián)動進入智能聯(lián)動配置，包括聯(lián)動命名與觸發(fā)條件和添加需要聯(lián)動的場景。根據(jù)情景分析，這里設置聯(lián)動任務名為“太暗了”，觸發(fā)條件為光照度傳感器的狀態(tài)“小于”“50”，選擇聯(lián)動場景為“太暗了”，如圖20所示。

同理，設置聯(lián)動任務名為“太亮了”，觸發(fā)條件為光照度傳感器的狀態(tài)“大于”“50”，選擇聯(lián)動場景為“太亮了”，如圖21所示。添加完成可以在智能聯(lián)動界面看到這2個聯(lián)動任務的情況，如圖22所示[14]。

至此，對智慧教室系統(tǒng)聯(lián)動配置完成，當光照度值小于50 Lux值綁定提高燈的亮度場景，光照度值大于50Lux綁定降低燈的亮度場景。

3.3 智能照明系統(tǒng)故障檢修

智能照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，針對故障進行分析，初步確定所在的位置，再運用所學專業(yè)知識，軟件與硬件相結合方式進行，這里主要介紹針對光照度傳感器出現(xiàn)故障的幾種情況進行檢修，具體方法如表1所示：

表1 物聯(lián)網(wǎng)光照度傳感器的檢修

4 結束語

光照度傳感器應用于智能家居照明系統(tǒng)中，通過光照度傳感器將環(huán)境光照信息轉(zhuǎn)化為模擬電信號，再經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過I2C與ZigBee模組通信，把光照度值上傳給網(wǎng)關、云端和用戶手機App，從而實現(xiàn)智能家居照明系統(tǒng)智能化的控制，讓人們的生活環(huán)境更加舒適便利。隨著科技進步和智能化發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研等領域都需要對光照度的檢測與控制，光照度傳感器的應用會越來越多，越來越廣[15]。