基于數字化技術智能照明系統研究

豪爾賽科技集團股份有限公司 劉錫超 楊 雨

當前，隨著網絡和通信技術的飛速發展，以及數字化智能化水平的不斷提升，照明系統作為智能化組成的重要部分，受到了眾多智能化企業的高度重視。智能照明系統是利用先進電磁調壓及電子感應技術，對供電進行實時監控與跟蹤，自動平滑地調節電路的電壓和電流幅度，改善照明電路中不平衡負荷所帶來的額外功耗，提高功率因素，降低燈具和線路的工作溫度，達到優化供電目的照明控制系統。

在IBM、西門子（Siemens）、微軟（Microsoft）、松下（Panasonic）等全球知名大型企業的推動下，智能照明系統的發展呈現出迅猛的勢頭。我國作為全球照明電器加工制造和出口的大國，同時也是一個龐大的消費市場，智能照明產品在這樣的宏觀環境下擁有廣闊的應用前景[1-2]。

隨著科技進步和核心技術的持續突破，智能照明系統在基礎設施建設中的應用也日益廣泛。綜合分析來看，我國智能照明系統面臨著廣闊的發展機遇。當前，隨著我國經濟的持續增長和電力資源的日益緊張，智能照明系統憑借其節能高效的材料優勢和較長的使用壽命，成為解決能源緊張問題的有效途徑之一[3-4]。智能照明系統的研究不僅能夠實現照明效果的個性化、智能化調控，還能夠大幅度降低能源消耗，對于推動綠色低碳生活方式具有重要意義。

1 系統總體架構設計

智能照明系統的總體方案如圖1所示，其主要部分由ZigBee 終端以及ZigBee 協調器兩個部分組成，下圖的左邊部分為ZigBee 終端，包括人體紅外傳感器，LED 燈，右半部分為ZigBee 協調器，包括指示燈和按鍵，以及顯示屏幕。二者之間利用ZigBee 無線通信[5]。

圖1 系統方案框架圖

1.1 硬件設計

本文設計的系統總電路圖采用軟件Altium Designer10繪制而成，采用分模塊繪制方式，最終連接成整體仿真電路。該系統主要包括面板的輸入電路、光照度檢測電路、輸出電路、調光電路和顯示電路。本文主要介紹了智能照明系統的硬件部分，包括系統總體電路圖、5V 電源輸入電路、AMS1117-3V3穩壓電路、光照檢測電路、ZigBee 核心板CC2530、三極管驅動LED 電路、OLED12864屏幕電路、人體紅外傳感器電路、功能按鍵電路、UART 調試串口電路以及CCDEBUG 下載接口。

1.2 輸入電路

計算機USB 接口為5V 輸入，分別設計兩個濾波與蓄能的電容，可以起到穩定電源的作用；設計一個電源指示燈，當電源接通后指示燈常亮；此外，采用一個10kΩ 的電阻能起到限流的作用，通過指示燈的電流為0.5mA，二極管采用1N5819型，其通過電流上限為1A，該二極管可以保護電路。

1.3 電源穩壓電路

穩壓芯片型號為AMS1117-3V3，其輸入端為電腦USB 輸入的5V 電壓，輸出穩定的3.3V 電壓供CC2530芯片使用，輸入、輸出端的電容為104，即0.1uF，作用是穩壓和抗干擾，電容不消耗能量，但電路中的電容有一定的電阻，會消耗一小部分能量，但其儲能的作用遠大于耗能。

1.4 光照度檢測電路

光敏電阻內部的光電效應和電極無關，可以使用直流電源，環氧樹脂膠封裝還具有可靠性好、體積小、靈敏度高、反應速度快、光譜特性好等諸多優點。對于光敏電阻而言，光敏電阻隨光線變化阻值會發生變化。當光敏電阻和一個10kΩ 電阻串聯，檢測到的ADC 值就是光敏電阻的分壓值，如果光線暗，光敏的阻值大，分壓就大，這樣測得的ADC值比較大，反過來測到的ADC 值就比較小。

1.5 調光電路

該系統的調光功能主要靠LED 燈實現，電路由LED、NPN 型三極管以及一個1kΩ 的電阻構成，三極管采用SS8050型，其可通過的最大電流為1A，足夠LED 燈使用，當三極管集電結反偏，發射結正偏時電路導通，當三極管的集電極是高電平時，發射極是低電平時，如果基極是高電平，那么集電極與發射極導通，LED 燈點亮，否則截止，LED 燈熄滅。因此，當需要點燈的時候在基級施加高電平，當需要熄滅燈的時候給基級施加低電平即可。電阻可以用來保護基級，防止三極管損壞。將調光電路接在CC2530芯片的P1.1接口，使用PWM 技術輸出脈沖寬度可以調的PWM 波，來調節燈光的亮度。

1.6 顯示電路

OLED 顯示是一種新型的顯示技術，能夠實時顯示出所需要的信息，OLED12864屏幕是128×64行點陣的OLED 單色、字符、圖形顯示模塊。模塊內具有64×64顯示數據RAM，本系統使用該屏幕顯示檢測到的光照強度、燈光等級以及自動或者手動模式，使檢測到的實時物理數據更直觀，更加方便使用者觀察。

1.7 人體紅外傳感器電路

傳感器的正常工作電壓在2.8～5.5V，因為CC2530芯片的電壓選擇的是3.3V，所以給該傳感器同樣接3.3V 電壓，使二者高低電平保持一致，通過對其高低電平的讀取來判斷感知范圍內的人員情況，若有人，則傳感器輸出高電平；若無人，則輸出低電平。

2 軟件設計

2.1 下位機軟件設計

下位機的軟件設計共分為兩部分，分別是ZigBee 發射端與ZigBee 接收端，實際上二者都是收發一體的。

首先進行ZigBee 協調器的設計分析，程序設計如圖2所示，其主要的功能是控制終端上LED 的相關參數與模式，按鍵則實現鍵值的發送。協調器上電后首先進行硬件初始化，包括GPIO、UART、TIMER、zstack 協議棧的初始化。然后判斷按鍵是否被按下，若按鍵被按下，那么發送對應的鍵值給終端，發送成功后終端對該命令進行執行，若按鍵沒有被按下，則等待操作這一過程以此循環，實現ZigBee 協調器的無線控制功能[6]。

圖2 ZigBee 協調器流程圖

本次設計的智能照明系統的同時可以使用上位機控制，上位機采用UART 串口通信，通過串口將上位機的指令下發協調器，協調器將指令轉換為對應的鍵值發送給終端，在使用上位機操作時，具體流程如下：先給協調器上電并進行硬件初始化，若收到串口命令，則先對該命令進行判斷，判斷其是否為控制命令，若是，則無線轉發控制命令，若沒有收到串口命令，則判斷同步時間，若同步時間到，把同步數據傳到上位機，然后把同步時間再復位。如果同步時間沒到，檢測是否收到無線數據，如果收到，緩存數據，上報上位機。如此則實現了上位機控制ZigBee 協調器的功能[7-8]。

對ZigBee 終端進行設計分析，程序設計如圖3所示，首先給終端上電，ZigBee 終端與ZigBee 協調器進行組網，組網成功后首先進行ZigBee 協議棧初始化、UART 初始化、GPIO 初始化、PWM初始化以及TIMER 初始化，初始化完成之后判斷是否接收到無線數據，如果收到協調器命令則判斷命令是模式切換命令還是開關燈命令，若是模式切換命令，則在手動和自動模式之間進行切換；若是開關燈命令，則在開燈與關燈之間切換。若沒有收到無線數據，判斷當前模式是否為自動模式，若不是，則上報數據至協調器；若是，則獲取光線值和人體感應值，在有人和光線昏暗的情況下，執行LED 調光，在無人或者獲取的光線值為亮的情況下不開燈。

圖3 ZigBee 終端節點程序流程圖

2.2 上位機軟件設計

上位機是指可以直接發出操控命令的計算機，與下位機不同，下位機使用的是C 語言編寫的面向流程的程序，而上位機使用的是C++語言，是面向對象的。上位機流程圖如圖4所示。

圖4 上位機程序流程圖

3 結論

ZigBee 技術可以實現無線控制的功能，根據需求分析設計，本系統具有光照強度檢測、顯示、處理和多重模式選擇的功能，實現對照明系統的實時數據采集，并將光照強度等物理信息數字化顯示，該系統有自動和手動模式兩種模式，自動模式中，燈光將根據系統檢測到的光照強度實現自動開關燈，利用人體紅外傳感器判斷范圍內是否有人，若有人且光照強度較低時，將自動開燈；若無人或者光照強度較高時，將自動關燈，且燈光共分為5個等級，級別越高，燈光越亮。手動模式中，可以通過按鈕調節燈光的亮滅以及亮度等級，從而使其設計更加人性化。