基于IOT 架構的寫字樓智能照明控制系統(tǒng)

白娜

（哈爾濱石油學院，黑龍江哈爾濱，150027）

隨著社會的不斷發(fā)展，能源消耗也逐年遞增，全球資源減少成了一個需要世界重視的問題，其中照明用電浪費現(xiàn)象十分嚴重。無論是室內照明還是城鎮(zhèn)道路照明都存在著能源浪費現(xiàn)象，如辦公樓、學校等場景。由于企業(yè)的發(fā)展以及教育的普及，辦公樓與學校的規(guī)模也越來越大，經常會出現(xiàn)白天光照充足卻依然開燈，且從不會因為人少而少開燈，幾乎不存在人走燈滅的現(xiàn)象?！伴L明燈”現(xiàn)象造成了企業(yè)以及學校的經濟負擔。目前的科技水平，對于燈光的智能控制已經有了成熟的解決方案，但對于室內照明龐大的用電量，尤其是企業(yè)超高的辦公照明用電量，卻很少有企業(yè)針對這一問題設計智能照明系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網技術也應該在室內照明領域發(fā)揮出其技術優(yōu)勢。在我國走向智能化和工業(yè)化時代的今天，發(fā)展智能照明控制系統(tǒng)就變得十分迫切，也應該得到重視。

1 系統(tǒng)的總體方案

本系統(tǒng)依據(jù)IOT 架構，將系統(tǒng)工作具體分為三層，分別是感知層、網絡層和應用層。本課題系統(tǒng)整體方案結構框圖如圖1 所示。

感知層中每個照明區(qū)域都由ESP8266 終端節(jié)點、各類傳感器、LED 燈板和相關電路組成。在不同區(qū)域當傳感器檢測到照明區(qū)域滿足相關照明條件后，傳感器將對ESP8266 終端節(jié)點發(fā)送觸發(fā)信號。ESP8266 終端節(jié)點接收信號后將終端節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送給樹莓派（數(shù)據(jù)包內數(shù)據(jù)為傳感器采集信息等）。除此之外照度傳感器實時采集并上報光照強度信息。

網絡層主要負責智能照明的無線傳輸，將樹莓派與物聯(lián)網平臺結合，完成數(shù)據(jù)處理。其中平臺由Home Assistant擔當，將數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)用戶的相應設定，作出相應的動作，即根據(jù)系統(tǒng)設定的屬性更改區(qū)域照明的狀態(tài)，對ESP8266 發(fā)送數(shù)據(jù)包，ESP8266 終端接收到數(shù)據(jù)包后對相應區(qū)域照明燈板發(fā)出PWM 信號，結合電源調節(jié)燈板亮度，從而實現(xiàn)照明的智能調節(jié)[1]。

在應用層中，用戶可通過相應交互界面更改照明系統(tǒng)的屬性、工作狀態(tài)以及相應的工作時段等功能。

2 系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)通過ESP8266 終端節(jié)點控制人體紅外傳感器、光照強度傳感器、聲音傳感器來獲取各區(qū)域的人以及光照環(huán)境的情況，同時控制LED 照明的工作狀態(tài)，所獲取的各種傳感器參數(shù)通過WiFi 組網通信傳輸至樹莓派，樹莓派同時再將采集到的數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網，供用戶通過物聯(lián)網平臺遠程對智能照明系統(tǒng)進行訪問和控制[2～6]。

2.1 系統(tǒng)主控模塊

樹莓派ZERO 是硬件設計部分的主要控制模塊。其主要工作就是對終端節(jié)點采集到的信息進行分析、處理和控制等。

2.2 通信模塊

在智能照明控制系統(tǒng)中，WiFi 模塊實現(xiàn)硬件系統(tǒng)和樹莓派以及物聯(lián)網平臺的連接。本系統(tǒng)選用ESP8266 來完成各個區(qū)域相關傳感器與樹莓派之間的數(shù)據(jù)通信，ESP8266 可以通過AT指令配置，和主控器的串口進行通信，利用WiFi 進行數(shù)據(jù)傳輸。

通過NodeMCU 平臺對ESP8266 芯片引腳進行拓展，這使得ESP8266 變?yōu)橐粋€集合了Arduino 功能多用途的IOT 控制器，其配備了USB 接頭、LED 燈和標準數(shù)據(jù)引腳，以及與傳感器或其他開發(fā)板交互的標準接口。

由于ESP8266 芯片只能承受3.3V 的最高電壓，而拓展平臺供電為5V 電壓，所以需要5V 轉3.3V 的降壓電路為ESP8266 芯片進行供電。NodeMCU 平臺左側2 引腳為EN可觸發(fā)復位操作。另外控制程序需要通過USB 轉TTL 電路進行燒錄。如圖2 所示。

圖2 總體電路圖

2.3 環(huán)境采集模塊

2.3.1 人體紅外檢測模塊

在寫字樓內，智能照明系統(tǒng)主要由日光燈、聲控燈組成。日光燈的控制是通過人體紅外傳感器模塊采集室內的人員活動信號，使得主控模塊可以根據(jù)人員活動情況調節(jié)照明亮度。人體紅外傳感器的OUT 端與ESP8266 的IO12 連接，另外VCC 和GND 端口接入5V 電源的正負極。本系統(tǒng)的模式選擇為自動模式，當有人進入紅外信號感應范圍時，模塊OUT 輸出高電平，當人離開紅外信號區(qū)域，模塊輸出端OUT 自動關閉高電平。如圖2 所示。

2.3.2 光照強度檢測模塊

光照環(huán)境檢測電路是利用光敏材料為核心，當傳感器感受到一定的光線照射，光敏電阻的阻值就會發(fā)生改變，從而實現(xiàn)光電轉換。將C8 瓷片電容同光敏電阻并聯(lián)，再在5V電源上接入10k 的電阻，當光敏電阻的阻值根據(jù)光照環(huán)境變化時，并聯(lián)電壓也會發(fā)生變化。其中傳感器AO 引腳連接NodeMCU 的IO 引腳，ESP8266 就可以采集到當前的光照環(huán)境狀況。如圖2 所示。

2.3.3 聲音檢測模塊

聲音傳感器對環(huán)境聲音強度敏感，本系統(tǒng)中用來檢測聲控燈周圍的聲音強度。聲控燈的控制是通過聲音傳感器模塊采集室內的人員聲音信號，使得主控模塊可以根據(jù)人員聲音情況調節(jié)照明亮度。模塊在環(huán)境聲音強度達不到設定閾值時，聲音傳感器OUT 輸出高電平，當外界環(huán)境聲音強度超過設定閾值時，聲音傳感器OUT 輸出低電平。本系統(tǒng)中聲音傳感器模塊上的VCC 和GND 接入5V 電源正負極，OUT引腳連接NodeMCU 的IO12 引腳。如圖2 所示。

2.4 照明模塊

本系統(tǒng)照明控制通過自鎖開關將調節(jié)模式分成聯(lián)網智能調節(jié)和手動亮度調節(jié)兩種，在室內聯(lián)網控制開關打開時，LED 照明控制由NodeMCU 的IO2 引腳發(fā)送的PWM 信號控制，PWM 是利用脈沖調制信號反復開關驅動器，從而達到調節(jié)LED 平均電流的目的，這種調光方式開關效率高，輸出電流和電壓穩(wěn)定。而且LED 始終在恒流條件下工作，調光范圍更大。在室內聯(lián)網控制開關關閉時，LED 照明控制旋鈕手動調節(jié)用戶可以根據(jù)室內房間的光照條件和需求進行LED 照明的調節(jié)。如圖2 所示。

3 系統(tǒng)軟件的總體設計

本系統(tǒng)的軟件設計應用主要在ESP8266 開發(fā)、樹莓派開發(fā)以及物聯(lián)網平臺上。ESP8266 上的軟件設計包括采集傳感器信息、控制無線傳輸通信、控制LED 照明。樹莓派開發(fā)的軟件包含數(shù)據(jù)傳輸處理、算法處理、與物聯(lián)網平臺搭建連接用戶交互界面。物聯(lián)網平臺上用戶可通過網頁或微信小程序訪問控制界面。寫字樓智能照明系統(tǒng)軟件總體結構框圖如圖3 所示。

圖3 寫字樓智能照明系統(tǒng)軟件總體結構框圖

3.1 照明控制系統(tǒng)主程序設計

該監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分的主程序所要完成的工作有：完成主控模塊和終端節(jié)點的初始化，使系統(tǒng)處在一個即將工作的狀態(tài)；調用光照傳感器子程序和人員檢測子程序。通過人員檢測子程序來判斷當前環(huán)境是否有人，并將信號傳輸給終端節(jié)點；調用WiFi 通信子程序與數(shù)據(jù)處理子程序。在傳感器采集到信號后，終端節(jié)點將采集的傳感器信號上傳至主控模塊，主控模塊在對數(shù)據(jù)進行分析后，將相應指令傳送至終端節(jié)點，以此完成數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理的工作；調用照明控制子程序。在終端節(jié)點接收到指令信號后，改變PWM 信號輸出調節(jié)LED 照明亮度，進而完成照明調節(jié)的工作。

3.2 交互界面的設計

該系統(tǒng)采用B/S 架構設計，即瀏覽器/服務器架構，屬于C/S 體系結構的改進。交互界面采用B/S 架構，用戶無須安裝任何軟件，系統(tǒng)支持大部分瀏覽器，如IE、Firefox 等。用戶在瀏覽器中鍵入地址即可訪問用戶界面，首先顯示如圖4 所示的系統(tǒng)用戶登錄界面，用戶正確輸入用戶名和密碼后即可成功登錄，若用戶名和密碼其中有一項輸入錯誤將無法登錄，由于系統(tǒng)以web 網頁形式呈現(xiàn)給用戶，任何人都可以進行訪問，所以此系統(tǒng)為安全起見不支持用戶注冊，系統(tǒng)的用戶和密碼直接錄入數(shù)據(jù)庫中，若要讓人進行登錄，需將預先設定的用戶名和密碼告知其他用戶[3]。

圖4 用戶登錄界面

用戶登錄成功后即可進入系統(tǒng)主界面，主界面如圖5所示。用戶主界面將辦公室、走廊、樓梯間等區(qū)域分開顯示，在此界面可以直接控制所有區(qū)域的照明開關。同時主界面還可以顯示天氣信息等根據(jù)用戶需求定制的信息[4]。

圖5 用戶主界面

點擊相應區(qū)域鏈接進入區(qū)域控制界面，例如進入辦公室控制界面，在此界面可以查看歷史的開關狀態(tài)，并調節(jié)照明亮度。

用戶還可以點擊左側歷史圖標進入歷史界面，在此界面可以查看所有區(qū)域的歷史狀態(tài)，還可以根據(jù)用戶需求定制一些功能，如室內的溫度和濕度狀態(tài)，在歷史界面也可將這些信息匯總顯示出來。

4 總結

本系統(tǒng)在了解國內外室內智能照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，根據(jù)人們生活中的實際需求對寫字樓智能照明控制系統(tǒng)這一課題進行研究。結合WiFi 無線通信技術、嵌入式開發(fā)、物聯(lián)網平臺技術，能夠對根據(jù)不同區(qū)域的環(huán)境條件自動調節(jié)LED 照明狀態(tài)，也能遠程調節(jié)不同區(qū)域的照明狀態(tài)等。