基于人體紅外和光強傳感器的智能網絡開關的研究與設計

包依勤，許文斌

（南京曉莊學院 信息工程學院，江蘇 南京 210013）

0 引 言

現今生活中常規開關的控制方式包含兩個狀態，即接通與斷開。相比于機械式墻壁開關，智能開關的功能特色頗為豐富，具有智能化、節能、安全、式樣美觀等特點。智能開關打破了傳統墻壁開關用途單一的局限，除了功能創新，其還被賦予了裝飾點綴的使命。智能開關被廣泛應用于家居智能化、工業智能化、農林漁牧智能化改造等領域，極大地節約了能源，提高了生成效率，降低了運營成本。

智能開關是指利用控制板和電子元器件的組合及編程，實現電路智能開關的單元。開關控制又稱為Bang-Bang控制，由于這種控制方式簡單并且易于實現，因此在家用電器和照明燈具控制中被廣泛應用。但如今的常規控制開關難以滿足精度的進一步提高和節能化要求[1]。

目前許多家庭或辦公室都安裝了墻壁開關，普遍存在無人燈亮、燈多人少、白天燈常亮等問題，不僅浪費了有限的電能，還縮短了燈具的使用壽命[2]。現有的調控方案分為如下兩種：

（1）通過安裝紅外傳感器來檢測室內是否有人員存在，如有則亮燈，即使白天光線很強；

（2）通過安裝光強傳感器來檢測室內光線強弱，若光線較暗則燈亮，即使室內無人。

上述兩種方案雖有一定的智能節能效果，但仍存在電能利用率低，節能效果不明顯等問題?；谌梭w紅外和光照傳感器的智能網絡開關較好地解決了上述問題，真正做到智能和節能。只在室內有人和光線較弱時，燈才亮；光線好或無人時，燈自動熄滅。

1 基于人體紅外和光照傳感器的智能網絡開關的結構

基于人體紅外和光照傳感器的智能網絡開關主要由CC2530芯片、人體紅外傳感器、光照傳感器和繼電器等組成。在原有開關基礎上，安裝人體紅外傳感器和光強傳感器。人體紅外信號及光強信號通過CC2530的I/O輸入端輸入，繼電器則分別與高壓端和CC2530的I/O輸出端相連。開關通電時，CC2530收到人體紅外和光照傳感器的信號，通過程序處理，判定當前房間的情況是否滿足開燈的條件：當屋內有人且光線較暗時，開關接通，其余時間皆處于斷開狀態。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖

2 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器是以紅外光作為介質的傳感器，又名熱釋電傳感器。壓電陶瓷類電介質在電極化后保持極化狀態，稱為自發極化。自發極化隨溫度升高而減小，在居里點時，溫度降為0。因此當這種材料接收紅外輻射而溫度升高時，表面負荷減少，釋放了一部分電荷，即熱釋電。釋放的電荷經放大器可轉換為電壓輸出，即熱釋電傳感器的工作原理[3,4]。本設計使用HC-SR501人體紅外傳感器，內部電路如圖2所示。

當有人進入人體紅外傳感器的感應范圍時，輸出高電平；離開感應范圍時則系統自動延時關閉高電平，輸出低電平[2]。CC2530通過其高低電平對當前檢測范圍內是否有人進行判定。人體紅外傳感器狀態原理如圖3所示。

圖2 HC-SR501人體紅外傳感器內部電路圖

圖3 人體紅外傳感器狀態原理圖

開關中所用的HC-SR501人體紅外傳感器實物如圖4所示。傳感器有三個引腳可與CC2530相接。VCC接正極，GND接負極，OUT接信號端，與CC2530輸入口相連。對于此傳感器，其靈敏度和延時時間可根據實際情況通過傳感器的旋鈕調節。

圖4 人體紅外傳感器實物圖

3 光照傳感器

光照傳感器是將光照強度值轉為電壓值的一種傳感器。光照強度指光照的強弱。以單位面積上所接受可見光的能量來量度，簡稱照度（Lux或Lx）。被光均勻照射的物體，在1 m2面積上所得的光通量是1流明時，其照度為1 Lux（流明為光通量的單位）。發光強度為1燭光的點光源，在單位立角體（1球面度）內發出的光通量為“1流明”[5,6]。本設計使用BH1750光照傳感器，內部電路如圖5所示。

圖5 BH1750光照傳感器內部電路圖

開關接通時，若人體紅外傳感器檢測到有人存在，那么光照傳感器便會采集當前房間的光照數據，并轉換成電壓值傳送給CC2530。CC2530通過光照傳感器傳送來的電壓值判定當前的光照值。光照傳感器工作原理如圖6所示。

圖6 光照傳感器工作原理圖

開關中所用的BH1750光照傳感器實物如圖7所示。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口（I2C）的數字型光強度傳感器集成電路，有四根不同的引腳與CC2530相連。VCC接正極，GND接負極，SCK與DAT分別與CC2530輸入口相連，作為I2C總線編程的時鐘信號端及數據端。

圖7 BH1750實物圖

圖8 CC2530最小系統電路圖

4 CC2530微處理器

CC2530是德州儀器（Texas Instruments，TI）生產的一款基于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，能以極少的總材料成本建立強大的網絡節點，對芯片進行編程，從而執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等，通過數字或模擬輸入輸出進行環境監測及設備控制的信號輸出。具體實現時選用CC2530F256芯片，實現功能最大化[7-9]。最小系統電路如圖8所示。

人體紅外傳感器、光照傳感與繼電器分別與CC2530相連接，共接入四個I/O端，其接入端口為輸入輸出，在程序中設定。初步假設情景：在房間中安裝好本設計開關，當有人進入房間時，人體紅外傳感器將高電平傳送至CC2530；收到高電平，CC2530通過光照傳感器實時采集當前房間數據。若當前光照數據低于設定閾值，則CC2530向繼電器輸出一個高電平信號，即打開燈；反之，關閉燈。CC2530自組成星形網絡，星形網絡的中心節點，即協調器接收所有智能網絡開關信息，實現統一開關控制。CC2530程序流程如圖9所示。

5 結 語

該智能開關的運用，使得房間的燈具實現了智能化控制。用戶進入房間時，無需刻意打開或關閉燈具；走出房間時，燈具會自動關閉；白天光線較好時，燈亦自動熄滅。開關在實現智能化的同時，也在一定程度上降低了燈具的能耗。CC2530作為一個真正的片上系統，經過時間的考驗，運行平穩，功耗低，且不易損壞，極大地保障了系統的安全性，程序運行穩定可靠。相比于單片機等其他實現方式，該方案具有功耗低、可自組網、穩定性強、可靠性高等優點?；谌梭w紅外和光強傳感器的智能網絡開關具有很高的應用推廣價值。

圖9 CC2530程序流程圖

[1] TechTarget存儲.intelligent switch：智能開關[DB/OL].https：//searchstorage.techtarget.com.cn/whatis/6-25173/.

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