基于智能手機的照明控制系統設計

陳承義，黃鶯

(柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616)

目前，管理公共場所照明設備大多數采用的是傳統的普通開關，存在操作不便、不能自動控制的缺點，極易造成資源的浪費。由于缺少自動控制，燈泡長明的浪費現象普遍存在，由此也會出現燈泡易燒壞，壽命短，浪費資源的現象，從而造成巨大的經濟損失。而且采用有線方式控制照明系統，具有施工量大、布線麻煩、安裝成本高、不易維護和可擴展性差等缺點［1］。無線控制的照明系統能夠彌補上述不足，它安裝成本低、布線簡單、突破實質問題上的限制［1］，無線控制方式將成為未來的趨勢。

考慮到智能手機的普及和便攜性，因此，開發一款基于智能手機的統一控制和遠程控制照明設備系統具有實際應用價值。為了實現照明控制系統的功能需求，借鑒并改進原有類似產品，下面闡述一種基于智能手機照明控制系統設計方案，目標是能夠完成遠程實時控制開關照明設備。

1 總體設計和工作原理

根據照明控制系統功能需求，基于智能手機照明控制系統主要由上位機和下位機組成，下位機包括電源模塊、網絡模塊、單片機模塊、繼電器模塊以及照明設備，上位機由智能手機和設置軟件組成，如圖1所示。

下位機主要是控制照明設備的開或關，可以聯網工作，也可脫網工作。使用前需要通過設置軟件設置相應的參數，比如IP地址、端口號、定時工作模式和外部輸入控制關聯模式等信息。如果設置了定時工作模式，當時間到達后，單片機自動發送相應的命令控制繼電器電路通斷，實現照明設備的定時開關;如果設置外部輸入控制關聯模式，則照明設備的開關可由外部的傳感器電路的信號觸發控制。如果下位機工作于聯網狀態，則需要在智能手機上安裝APK軟件，設置好對應的IP地址、端口號后連接網絡，聯網成功后可通過手機軟件的按鈕去控制照明設備的開關。手機可通過GPRS或者WIFI方式進行控制。

2 系統硬件設計

電源模塊通過220 V/20 V變壓器，經過整流電路后，接入穩壓芯片LM7812輸出+12 V，供電給繼電器模塊，再經過LM7805輸出+5 V電壓供給傳感器電路、單片機模塊和網絡模塊等，電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖

單片機模塊采用的是STC公司的IAP15F2K61S2，支持ISP/IAP功能，速度快、具有61 kB片內FLASH程序存儲器，2 048 B的SRAM，大容量EEPROM，內部時鐘頻率從5 MHz～35 MHz，各種接口齊全，方便擴展。

網絡接口模塊采用的是microchip公司生產的網絡接口控制器ENC28J60，其接口符合兼容IEEE802.3標準，內置DMA模塊，實現數據快速收發;通過SPI接口實現與單片機的通信，支持查詢方式和中斷方式與單片機進行數據交換，達到10 Mb/s的速率，并有專用的LED連接用于網絡狀態指示［2］，具體電路如圖3所示。OSC1和OSC2間外接25 MHz的晶振;差分輸入TPIN+/TPIN－間加一個1∶1脈沖實現，差分輸出TPOUT+/TPOUT－提供一個1∶1脈沖變壓器，每一部分需加2個50 Ω(1%)的電阻和0.01 μF的電容串聯后接地，RJ45接口采用HR910005A，具體如圖4所示;RBIAS接一個2.7 kΩ的偏置電阻;Vcap和Vss間接一個10 μF的電容以保證電路的穩定性，LEDA和LEDB外接LED燈［2］。

繼電器模塊采用的是G2R－14－DC5型號，可以實現八路繼電器控制。單片機通過74HC595控制NLN2803芯片，從而去控制繼電器電路的通斷。具體電路如圖5所示。

傳感器電路模塊需要具有開關特性，即電路輸出是數字量電信號(高電平或低電平)，以光敏電阻為例。光敏電阻模塊對環境光強最敏感，一般用來檢測周圍環境的亮度和光強。在無光條件或者光強達不到設定閾值時，VOUT輸出高電平，當外界環境光強超過設定閾值時，模塊VOUT輸出低電平;通過單片機來檢測VOUT端高低電平，驅動繼電器模塊通斷照明設備，如圖6所示。調整R7可調電阻改變IN端的輸出電壓，可以改變靈敏度。

圖3 網絡控制器電路圖

圖4 RJ45接口電路圖

圖5 繼電器模塊電路圖

圖6 傳感器模塊電路圖

3 系統軟件設計

系統軟件分為兩部分，一部份是下位機程序，另一部份是安裝到智能手機的上位機控制軟件和PC機上的設置軟件。

下位機程序功能主要有:(1)接受通過網絡模塊設置相應參數，如IP地址、端口號、定時工作模式和外部輸入控制關聯模式等功能;(2)接受智能手機通過GPRS/WIFI發送的命令;(3)解析智能手機的命令，然后向繼電器模塊發送斷開或閉合指令;(4)檢測外部輸入傳感器電路接入的電平，以實現對繼電器的控制;(5)定時功能等。所有程序都采用模塊化設計，采用C語言編程，方便移植，具體工作流程如圖7所示。

上位機是在Eclipse開發軟件下結合SDK進行開發的。上位機監控軟件主要有網絡連接、按鈕控制、屬性修改等功能。

網絡連接功能需要打開網絡連接、填寫IP地址和端口號，如果網絡連接未打開，則提示先打開網絡連接，否則需要先獲取到IP地址和端口號，然后通過網絡向下位機發送相應的連接命令，下位機接收到此連接命令后返回一個數值，上位機根據數值判定連接是否成功。連接成功后點擊上位機監控軟件中的按鈕，通過網絡向下位機發送相應的控制命令，下位機接收到控制命令并解析后向繼電器電路發送指令，實現對照明設備的控制，并向上位機返回狀態數據信息。上位機根據收到下位機返回的狀態數據信息，按鈕會顯示相應的顏色，如果照明設備處于打開狀態，會顯示綠色，否則顯示紅色，具體工作流程如圖8所示。

圖7 下位機工作流程圖

圖8 上位機工作流程圖

4 實驗應用

在進行測試時，使用下載線把下位機程序下載至下位機單片機中，然后在PC機上通過設置軟件IP地址、端口號、定時工作模式和外部輸入控制關聯模式等參數，在聯網狀態和脫網狀態下對照明控制系統進行測試。在測試之前，需要把設計好的光敏傳感器模塊接入單片機，把照明設備接入繼電器模塊輸出端子上，確認連接正確后通電測試，具體測試結果如表1所示。

表1 照明控制系統測試情況表

5 結論

該系統采用單片機技術和遠程控制技術實現了對照明設備的遠程自動控制，提高照明控制的智能化程度，突破空間限制，體現人性化和智能化，系統具有較好地可靠性和維護性。該測試系統已用于家庭照明設備的控制，實際應用表明該測試系統工作穩定可靠、人機界面友好，能改善照明的工作環境，提高工作效率，達到了設計要求。

［1］毛海明.基于無線傳感器網絡的移動智能照明控制系統設計與實現［D］.杭州:杭州電子科技大學，2013.

［2］周曉陽，程紅，張曉媛.新型以太網控制器ENC28J60及其接口技術［J］.單片機與嵌入式應用，2006，8:34－36.

［3］魏立明，徐成波，林君.智能照明控制系統設計［J］.吉林建筑工程學院學報，2014，31(2):74－76.

［4］陸建敏.光敏傳感器的應用——聲光控開關電路［J］.企業科技與發展，2012，18:36－39.

［5］姜先申，劉震，于繼濤.一種非接觸式電容感應開關設計與實現［J］.現代電子技術，2011，21:196－198.

［6］陳文星，付繼宗，魏建英.基于BISS0001信號放大電路的人體紅外感應開關設計［J］.電腦開發與應用，2013，26(2):66－68.