基于CC2530的校園智能照明系統設計

楊懷德

摘 要： 目前校園建設正朝著全面數字化、網絡化、智能化的方向發展，因此研究并開發一種校園智能照明系統具有重要的實際意義。針對傳統的校園照明系統在節約能源和應用靈活性方面存在的缺陷和不足，以CC2530為核心，將物聯網技術與網絡通信技術相結合，設計了一種既能夠節能又能靈活適應校園文化活動的智能照明系統。

關鍵詞： CC2530； 校園； 智能照明； 物聯網技術

中圖分類號：V279+.2 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）06-52-04

Abstract： At present， the campus construction is developing in the direction of comprehensive digitization， networking and intelligence， so it has important practical significance to research and develop a kind of campus intelligent lighting system. Aiming at the defects and deficiencies of traditional campus lighting system existed in energy saving and application flexibility， taking CC2530 as the core， combining Internet of Things with network communication technology， an intelligent lighting system is designed in this paper， the system is energy-saving and can adapt to campus cultural activities flexibly.

Key words： CC2530； campus； intelligent lighting； Internet of Things

0 引言

在剛剛過去的2015年，我國物聯網產業市場規模達到5000億元，從智能安防到智能電網，從二維碼普及到“智慧城市”落地，作為被寄予厚望的新興產業，物聯網正四處開花，悄然影響著人們的生活[1-3]。

在這一背景下，校園建設也迎來了新的契機，許多院校紛紛推出了基于物聯網的智慧校園建設方案，這些方案雖然不盡相同，但都涉及到教室智能照明。

傳統的教室照明系統都是基于人工控制的，其存在兩方面的問題：一是能量浪費的問題，調查中發現，在教室里沒有人或人很少的情況下，教室里的燈仍舊常亮，導致了大量的能量浪費；二是無法滿足新時代的校園活動需求，許多校園興趣小組、團體經常需要在教室舉行一些小型活動，會需要多種顏色的、不同亮度的燈光效果，而傳統的照明系統無法滿足這一需求。

本文探討利用對物聯網有著良好支持性的CC2530芯片，結合網絡技術設計了一種智能照明系統用于教室燈光控制。該系統能通過人體紅外模塊感知到燈附近的人體并自適應的控制燈的開關，實現不同顏色的燈光及亮度的控制，滿足了智慧校園建設對于教室照明系統的需求。

1 系統設計

1.1 系統平臺介紹

該系統采用德州儀器的CC2530為硬件平臺，CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256。其分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它特別適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗[4-5]。

系統的總體結構如圖1所示，在普通模式下，通過人體紅外模塊對照明燈附近的人體進行感知，并結合采集到的當時的光感信息，對相應的繼電器進行控制，從而實現對照明燈的開關控制。這一過程是一個典型的物聯網技術的應用；在特殊模式下，通過手機來對效果燈進行亮度和其他效果的控制，以適應一些特殊場景的要求。

1.2 系統硬件設計

教室智能照明系統硬件系統由核心模塊、人體紅外模塊、光照度傳感模塊、燈光控制模塊、無線透傳模塊五個部分組成。在綜合考慮各硬件設備的穩定性、功耗、價格燈參數后，本系統的主控板的核心芯片選取CC2530（256）型號，人體紅外模塊為HC-SR501，光感設備為森霸LBCETC1-60，繼電器模塊為松樂繼電器，無線透傳模塊為ESP8266。

核心模塊設計主要包括CC2530核心板及供電、時鐘等部分，其電路設計圖如圖2所示。

人體感應模塊的功能是對燈附近的人體進行感應，使用紅外傳感器判斷有沒有人。紅外傳感器探測到人體發出的紅外線后產生一個相應的輸出信號，通過P0_4傳送給CC2530進行相應處理，其電路設計如圖3所示。

光照度信息傳感模塊的功能是采集教室光線亮度信息，選用光電傳感器來完成。光電傳感器一般可以分為兩類，即模擬式傳感器以及脈沖式傳感器[6-9]。模擬式傳感器的工作原理主要是基于光電器件的光電流隨光通量變化而發生變化的現象，這樣光電流就成為被測非電量的函數；脈沖式光電傳感器的作用原理是光電器件只能感知到光的有無兩個狀態，即光電器件受光時，無電信號輸出，本系統采用第二種光電傳感器。其電路圖如圖4所示。

燈光控制模塊的功能是控制燈的電源供給和效果燈的亮度、閃爍效果。其燈的電源供給控制的原理是根據繼電器的信號觸發端的輸入信號來決定是否給燈供電，其電路圖如圖5所示。而效果燈亮度和閃爍效果是通過CC2530內部定時器模擬PWM來產生合適的脈沖作為效果燈的開關來達到控制效果。

無線透傳模塊的功能是提供主控板與手機之間進行信息交互的接口，設備初始化成功后，可以讓設備及手機接入同一個無線網絡，從而可以使主控設備很方便的接受手機端傳送過來的信息，進而對燈光進行相應的控制。其電路結構如圖6所示。

1.3 系統軟件設計

智能照明系統軟件設計對于整個系統的穩定性和可靠性起著非常重要的作用。系統采用集成開發環境進行開發“軟件設計盡量采用模塊化、標準化的設計思想、分段編程、分段調試；各個功能模塊相互獨立，盡量使它們松散耦合，便于將來進行維護和功能增強。總之，在整個系統的軟件設計中，充分發揮了硬件的特性，控制流程簡潔精確，反應靈敏，優先級控制使用得當，并且在軟件控制中充分發揮了中斷和定時功能，使整個系統反應更加及時靈敏。

系統軟件由CC2530控制板和手機端應用程序兩部分組成?？刂瓢宀糠周浖饕獙崿F兩個功能：一是實時采集光照度和人體紅外信息，一旦發現有人進入照明區域，立即結合當時光照度信息來決定是否設置相應的繼電器進行供電；二是對從WIFI透傳模塊接收到的信息進行分析處理，并控制效果燈的效果。其程序流程圖如圖7所示。初始化階段需要對CC2530的相關GPIO斷開的功能選擇寄存器和方向寄存器進行初始化，此外還需要對中斷寄存器、傳感模塊和無線透傳模塊進行初始化，這些都初始化完成之后，最后打開系統全局中斷。中斷處理部分主要是對接收到的從手機發送過來的數據進行解析，并對燈的效果進行設置。人體紅外和光照信息的采集部分主要是根據傳感器的時序要求進行數據采集。

手機端程序功能是給用戶提供燈的效果控制的操作界面，并通過網絡給相應的控制板發送命令。其程序流程圖如圖8所示。

2 結論及展望

本文著重研究了基于CC2530的教室智能照明系統的設計，給出了系統的設計框架圖，并詳細討論了系統硬件和軟件實現方案。本文設計的照明控制系統適用于大多數校園的需求而且也為后續功能的開發和完善做了鋪墊。下一步將研究校園其他場所的照明控制，進一步完善智慧校園建設。

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