基于单片机技术的家庭智能灯光节点控制器的设计

周庆华

(安徽工业职业技术学院，安徽 铜陵 244000)

结合目前的IT和通信行业的发展变化，本文重点设计了一种用于普通家庭智能灯光控制系统的节点控制器.它使用WIFI作为与上位机的通信手段，使用低成本的单片机作为接收指令和调光控制手段，再配上人体热释红外传感器作为节能信息来源.

本文所设计的控制器从家庭使用成本角度考虑，只对荧光灯进行开关控制，不进行调光控制.LED光源是这些年的新宠，并且正在被家庭所接受，故本控制器考虑了LED的调光控制.

1 智能灯光控制系统

以当前家庭网络的结构为背景，以实用和低成本为前提，重新构思了灯光控制系统的结构.系统整体的配置和控制策略位于上位机，但与以往不同的是，本文所设计的系统，没有通常大型灯光系统中需要长时间开机的上位机，在本系统中，上位机就是家中的PC或者笔记本、平板等设备，不需要长时间开机；手机和平板同时也提供了非常友好的人机控制界面；控制从节点通过WIFI网络与上位机通信，记忆状态信息以及时间控制信息，并对实际的灯光进行控制.系统的结构图如图1.

图1 基于WIFI和单片机的家庭智能灯光控制系统

图中控制节点仅绘制了一组，实际应用时要根据家庭面积的大小和灯光分布情况布署几个或者几十个从节点控制器.整个系统使用Adhoc协议组网.在这个系统中，开关类的灯光，每个从节点控制器可以控制1～8组；调光类灯光，可控制2路.

2 从节点控制器的硬件设计

2.1 从节点控制器整体结构

从节点控制器(以下简称控制器)在系统中的功能包括WIFI通信、控制信息记忆、灯光控制，灯光的控制又分为开关控制、交流调光控制、直流PWM控制.其结构框图如图2所示.

图2 从节点控制器结构框图

2.2 微处理器选择

根据功能需求，控制器的处理器选择STC公司的STC12C5206PWM.STC公司12系列芯片高速、高可靠，低功耗、低价，强抗静电、抗干扰.所选型号的处理器有一个串行通信口，有片内的EEPROM存储功能，程序和数据可共用的存储空间总容量有6K，有2路PWM控制.这款芯片非常适用于本文描述的系统.

2.3 WIFI通信

小批量的试验中WIFI通信可以使用市场上的Uart-WIFI模块，这些模块是基于Uart接口的符合WIFI无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换，并且支持Adhoc协议.在安全通信方面，支持多种安全认证机制，包括WEP64/WEP128/TKIP/CCMP(AES)、WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK等.通过Uart-WIFI模块，传统的串口设备能轻松接入无线网络.CPU和模块之间的连线如图3.

图3 单片机和WIFI模块的连接

2.4 交流调光

对于交流灯光的调光控制，主要是指白炽灯的调光，可以使用经典的可控硅控制方式，这种控制简便可靠.通过单片机控制可控硅的导通时间，从而达到控制亮度的目的.这其中需要进行零点检测，正常的市电波形如图4的(a)图，过零检测电路需要在(b)图所示位置产生相应的过零信号提供给单片机，单片机再以此为基础通过程序控制(c)图中T的宽度，再在设定的时间宽度后发出控制脉冲，使可控硅导通.T的宽度不同，则可控硅导通角就不同，如(d)图中阴影所示，以此达到控制白炽灯亮度的目的具体的控制电路如图5.

图4 交流调光原理

图5 交流调光电路

2.5 直流PWM调光

直流调光主要是针对目前非常受欢迎的LED灯光，近些年出现的大功率LED发光器件，在亮度和色温方面都能达到令人满意的效果，同时又非常的节能，LED的发光功率因数高，通常所说的36W的日光灯，实际输入功率约45W，而17W的LED灯，实际输入功率仅约18W.我们常见的1WLED灯，其亮度大约相当于3W的节能灯或者15W的白炽灯的亮度；3W的LED灯，大约相当于9W的节能灯或者40W白炽灯的亮度.是比较好的新一代家庭光源替代者.

对于LED灯的调光，通常可以使用模拟线性控制和PWM两种方式调光.线性控制主要是对LED的驱动电源进行线性控制，对LED寿命影响小，无电磁干扰，但会影响色温.PWM即脉冲宽度调制，这种方法通过调节单位时间内脉冲宽度，达到控制亮度的目的，这种方法一般要将控制频率至少提高到120KHz以上才不会让人眼有闪烁的感觉，因此会有电磁干扰并且对LED的寿命有一定的影响.但PWM方式响应速度快，调光精度高，得到广泛应用.

对LED调光的同时需要考虑另外一个重要内容就是LED的恒流控制，超过额定值的电流会严重减少LED的寿命.所以需要将工作电流可靠地控制在LED额定电流值范围以内.

图6 PWM调光电路

本文设计的控制器，使用BP1360恒流驱动芯片，这种芯片外围元件少，输入电压宽，从5V到30V均可，输出电流大，单颗LED最大电流可达600mA，具体的电流值通过采样电阻设定.电流控制精度比较高，为±3%.芯片有一个DIM引脚，可接受0.5～2.5V的模拟调光和最高频率为50KHz的PWM信号.具体的电路如图6所示.

在这个控制电路中，BP1360和电感(L)、电流采样电阻(RS)形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压型恒流LED控制器.VIN上电时，电感(L)和电流采样电阻(RS)的初始电流为零，LED输出电流也为零.这时候，CS比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低.电流通过电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和内部功率开关从VIN流到地，电流上升的斜率由VIN、电感(L)和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCS，当(VIN-VCS)>115mV时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和肖特基二极管(D)，当(VIN-VCS)<85mV时，功率开关重新打开，这样使得在LED上的平均电流为：

BP1360可以在DIM管脚加PWM信号进行调光，DIM管脚电压低于0.3V关断LED电流，关断期间，内部稳压电路保持待机工作，静态电流仅为100uA.DIM管脚高于2.5V全部打开LED电流，PWM调光的频率范围从100Hz到20KHz以上.最大LED电流由采样电阻RS决定.此外，为了保证可靠性，BP1360内部包含过热保护功能(TSD).当工作电压为20V，被控制的LED灯分别为1×1W、3×1W、5×1W时，对应的工作电流分别约为310mA、330mA、360mA.

2.6 其它功能单元

(1)人体红外探测与室内亮度检测.人体体温在37℃左右，会发出波长10um左右的红外线.人体辐射出的红外光线一般需要经过菲涅耳透镜汇集在PIR探测元上，当人体移动时，红外辐射强度发生变化，探测元表面的电荷强度发生变化，经内部场效应管放大就有信号输出.热释电红外探测模块采用热释电专用控制集成电路处理，一般使用BISS0001型集成电路.它集成电路内置独立的高输入阻抗运算放大器，对红外信号进行预处理.详细电路不再描述.

(2)时钟单元.因为所设计系统上位机多数时间为关机状态，因此从节点控制器需要有自己的时间单元，以比较准确的时间为依据，执行一些时间控制命令.每当与上位机联机时，自动从上位机读取准确时间，并自己校准自己的时间系统.时钟电路使用简单易用的DS1302即可，这个芯片虽然不是非常准确，但其价格低廉使用方便，加上自动校时程序即可.

(3)其它灯光的开关控制.对于普通的开关控制，主要是针对不可调光的荧光灯，功率设计在100W以下，控制电路就是将图5所示电路进行简化，不需要零点检测电路，保留光耦MOC3022电路组，即可实现普通节能灯的开或者关.

3 控制器的软件设计

本文讨论的是整个家庭智能灯光控制系统中的从节点控制器的设计，因此这里只描述控制器芯片内的软件设计.整个系统可以通过智能终端进行整体设置与控制，也可以让控制器处于自动工作状态.从单个的控制器的角度，对它的软件功能提出以下要求.

首先要能正确解读来自WIFI口的上位机控制指令.上位机传来的指令分为三类，一种是立即指令，一般为单字节指令，就是立刻需要做开或者关的操作，以及调光控制.也包括控制器工作模式的切换指令；第二种是延时指令，是指在多长时间以后需要执行的指令，此为多字节指令，除了要执行的指令，还包含指令执行的时间.第三种是时间校正指令，包含当前准确的时间信息，控制器收到后，立刻校正自己的时钟.时间单元应有电池进行掉电时间保护.

其次是工作模式的选择.有两种工作模式，一是上位机控制模式下工作，但控制器可以检测上位机在软件权限上是否允许“探测无人关闭”动作，如果允许，再根据探测的结果做适当延时后，自行关闭所控制光源；二是控制器处于无上位机自动工作模式，每个控制器都连接有一个或者若干个人体红外探测器，以及光敏电阻构成的室内亮度检测，在第二种模式下控制器根据室内人员状况和亮度状况自行决定是否打开相应的灯光.

再者，整个模块不工作时，要能让主要部件处于休眠状态，并且还可以进一步切断所有子单元的工作电源，这其中就要求电路要记住尚未完成的延时类指令，在下一次开机时判断是否有指令需要继续执行.

智能家居系统是一个美好，并且必定能实现的理想，其中智能灯光控制是目前最为实用的子系统之一.本文设计的目标就是实现两个低：低成本、低能耗.做到最大程度的能耗控制，使整个灯光系统达到最节能的状态.

参考文献：

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[2]陈宜建.基于PIC单片机的LED照明控制器设计[J].电子产品世界，2013(3)：39-42.

[3]李松宁.LED调光设计方案浅析[J].现代显示，2012(11)：11-14.