校園智能照明控制系統設計

龐敏敏 喬陽利

摘 要：隨著科技的進步，傳統的照明控制方式已經不能滿足人們的需求，而且照明能耗也不容樂觀。針對這些問題，文章設計了基于云平臺和ardunio微控制器板的智能燈光控制系統，充分利用了云平臺的技術優勢，實現了移動端遠程監控功能，安全性高，可靠性好，具有廣泛應用前景。

關鍵詞：云平臺；arduino；照明控制系統

隨著科技的高速發展，能源消耗成為國家和社會關注的熱點問題。與此同時，隨之而來的節能減排工作成為研究的重要內容之一。據不完全統計，在現代建筑中，照明系統對能源的消耗占的比例較大，因此，樓宇電氣照明節能技術的理論及應用研究已經成為建筑電氣綜合節能研究內容之一。本設計以學校路燈照明控制系統設計為例，研究并設計出一套基于云平臺的校園照明控制系統，該系統詳細介紹了控制系統的總體設計方案、硬件電路設備選型、云處理網絡平臺與通信協議編寫及軟件系統的設計內容等。

1 方案設計

本設計是基于云平臺和arduino微控制器板進行控制的校園照明智能控制系統。適用于校園路燈、圖書館等校園照明系統的控制，可以有效地減少能源的消耗，提高燈光系統的利用效率。

借助智能控制算法和云平臺等先進技術，對路燈照明實現智能化控制管理，本控制系統設置兩路控制通道，一路是自動控制，將智能控制算法（根據節氣的變換自動設定開關燈的時間）植入云端服務器，通過WiFi模塊與控制器進行數據互傳，控制器接收到采集電路的信息，將其發送至云端服務器，云端服務器通過分析處理將命令信號回傳至控制器，控制器再將命令信號傳送至執行機構，控制執行機構的動作；一路是手動控制，在手機上開發一個APP，與云端服務器相連，如果遇到陰雨大霧或者霧霾天氣等特殊情況，可以實現一部手機在手就可以隨時隨地掌控照明狀況，并制作出方案模型，借助各種軟硬件平臺進行調試，以達到預期目的[1]。

2 硬件設計

2.1 系統的整體設計

根據設計方案分析，本系統由arduino mega 2560單片機控制器，光線傳感器模塊、熱釋人體紅外傳感器模塊、控制輸入模塊、電源模塊、WiFi控制模塊構成。校園的照明控制系統的工作原理是檢測校園中的光線強度、使用情況，具有自動及遠程調節光照強度以及燈具開關的系統。系統的組成部分應包括：光線驅動信號采集電路、模數信號轉換電路、人體存在信號采集電路、微控制器控制電路、顯示電路、按鍵電路、WiFi遠程控制電路以及燈光控制電路。

2.2 單片機的選擇

arduino mega 2560微控制器板是一個用ATmega2560單片機為控制核心的微控制器板。基于開源平臺，可獲得基于知識共享開放的源代碼和電路設計。不需要過多的外設電路，自帶直流寬電壓輸入，USB供電等多種供電方式，arduino開源共享平臺，此微控制器對環境要求不嚴格，對外設兼容度較高，性能優良，開發及二次開發成本較低，故選擇arduino mega 2560微控制器為較合理的選擇。

2.3 傳感器的選擇

2.3.1 人體信號傳感器的選擇

熱釋紅外感應模塊，用來檢測校園內是否有人體發出的紅外線，判斷校園某段檢測范圍內是否有人。從而決定是否進行此段路燈的光照強度自動控制，是數據采集的核心模塊之一。

2.3.2 光照強度信號傳感器的選擇

光照強度傳感器模塊主要由光敏電阻、電壓比較芯片兩部分構成。

光敏電阻也可叫作光導管，常用各種光敏金屬、光敏金屬化合物制作而成，常見的制作材料有硫化金屬（硫化鎘、硫化鋁、硫化鉛、硫化鉍）。這些材料因為在特定波長的光照射下，具有電阻值迅速變化的特性。這是由于在光線的照射下電子奔向電源的正極，電源的負極產生空穴，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。

電壓比較芯片采用LM393芯片，其工作電壓較寬，2～36 V均可工作，在本系統中，在5 V的電壓下工作，其作用為比較電位器與光敏電阻的阻值，以確保系統在光照低于閾值時可得到信號，控制燈光控制模塊進行開燈。

2.4 WiFi控制模塊

WiFi控制模塊可以通過WiFi通道實現對燈光的遠程控制，包括對燈光的開關控制、亮度調節以及顏色自由組合變換，本系統定義當云端燈光控制系統下“0”時，燈光關閉，“1”時開啟隨著數字的增加，來對應增加燈光的亮度，以此來完成對燈光亮度的調節，這是WiFi模塊獨有的可以對燈光進行遠程操作的功能[2]。

3 軟件設計

3.1 控制系統軟件設計概述

基于單片機的校園照明控制系統，按模塊可分為信號采集主程序和命令處理子程序。子程序主要分為初始化子程序、中斷函數子程序、功能主程序，它們之間以互相嵌套和調用，即中斷函數子程序可以調用功能子程序。根據傳感器的信號進行所對應的控制信號輸出，它按各種所需要的預設情境再細分為不同的子程序模塊，它一般是從主程序進入，執行完所需的命令操作后返回主函數，從而使主程序一直在運行。

3.2 環境光采集模塊的設計

利用傳感器把微控制器所需要的電信號從環境的光照強度中采集并轉化而來。傳感器除了利用光敏二極管把所需的電信號從環境光中獲取而來，還具有對所輸出的電信號進行整流、穩壓、放大等功能，使輸出信號穩定，且利于采集。

本系統邏輯定義為：環境光亮時為邏輯“0”（符合光采集電路輸出信號狀態），暗時為“1”，人體存在為“1”，人體不存在為“0”，開燈為“1”，關燈為“0”。

3.3 云端遠程控制的設計

云端遠程控制的開發是通過手機APP遠程控制WiFi模塊。

首先需要燒錄好固件的WiFi模塊，一部安裝了本系統配套的APP的安卓智能手機，一根TTL線。由于不需要運行AT指令，因此，RXD--UTXD，TXD--URXD可以不接，只需模塊開機，手機識別到WiFi熱點即可，所以模塊的GPIO0這個引腳可不接。用手機搜索熱點，帶有ESP字符的名字，就是本系統模塊產生的熱點，連接上它（密碼默認為是123456789）。連接成功后打開APP界面，點擊熱點名稱進入控制頁面[3]。

4 系統的調試

控制系統在完成硬件及軟件部分設計后，要進行實驗性運行調試，排除硬件及軟件在設計過程中的缺陷以及排查硬件電路的故障，檢驗控制系統是否可以可靠及穩定地運行。本次控制系統的調試主要分兩個步驟：arduino微控制器板的系統調試（硬件調試和軟件調試）及整個控制系統試運行調試。

本系統使用8266模塊與云端相聯，協議使用的是MQTT協議，通過實際聯調可以實現監控功能和遠程自檢功能。云端測試采用的是百度云提供的物接入服務，在項目列表創建項目，通過百度云提供的信息，登錄MQTT服務器，發布訂閱主題。在測試端通過發布主題數據進行測試。

發布“0”，實現關燈效果。通過在云端發布不同的指令，會發生相應的亮度強弱，燈光顏色的變化。亮度數值越小越亮，測試值返回“1”，說明燈沒有故障。當光度數值大于500時，測試值返回“0”，說明光線暗，燈出現故障[4-5]。

5 結語

本課題對校園智能照明控制系統進行了設計與研究，通過相關電路的驅動，完成對系統設備（電燈）的控制，采用一個顯示器顯示整個系統的工作狀態，實現了對校園照明的自動開燈、關燈控制、遠程監測故障控制，還設置了手動模式，以備偶爾出現故障時，采用手動操縱，不至于影響校園照明的正常應用。充分利用了云平臺的技術優勢，實現了移動端遠程監控功能，安全性高，可靠性好，具有非常廣泛的應用前景。

[參考文獻]

[1]王偉.分布式智能照明系統及其控制算法的研究[D].成都：電子科技大學，2017.

[2]方東.基于云平臺的LED智能照明系統設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2016.

[3]LEE H S，KWON S Y，LIM J H.A Development of a lighting control system based on context-awareness for the improvement of learning efficiency in classroom[J].Wireless Personal Communications，2015（1）：165-181.

[4]賴思恩.基于物聯網的智能樓宇舒適性節能照明系統研究[D].杭州：浙江理工大學，2014.

[5]CAICEDO D，PANDHARIPANDE A，FMJ W.Daylight-adaptive lighting control using light sensor calibration prior-information[J].Energy & Buildings，2014（2）：105-114.