网络化智能照明控制系统的设计

张 华， 陈 星， 李 松

（大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024）

网络化智能照明控制系统的设计

张 华， 陈 星， 李 松

（大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024）

针对传统的照明控制系统存在通信距离短、数据传输速率慢、误码率高、可靠性差等问题，提出了一种基于物联网技术架构的智能照明控制系统，并对其感知层各传感器电路进行了详细的介绍，包括照度测量电路、温度测量电路、人体检测电路、CAN总线通信接口电路等，实现了对各个房间环境参数的监测。实验结果表明达到了设计的各项指标，能够满足智能照明控制系统的要求。

智能照明；单片机；CAN总线；光敏电阻；热释电传感器

0 引言

目前，嵌入式、计算机、现场总线以及互联网等技术发展迅速。物联网作为这些技术的综合运用，会使人们的生活变得更加方便、快捷和舒适[1]。而作为物联网技术应用中的重要组成部分，智能家居中的照明控制系统也需要进行技术的更新换代和升级。一般而言，物联网技术中的智能照明系统由三部分组成：感知层、网络层、应用层[2]。本文对其中的感知层进行了设计，利用各种传感器来监测环境中的各种参数，并将所测得的数据通过网络层传送给应用层，这样便可以通过应用层对数据的处理和分析来获得感知层的工作环境并进行调节。基于物联网的网络化智能照明控制系统是未来发展的趋势，具有重要的应用价值。

1 总体方案设计

网络化智能照明控制系统由监控计算机、嵌入式Ethernet-CAN互联网关以及各房间节点三部分组成。如图1所示，各个房间的不同位置安装有各种传感器，这些传感器把数据测量到以后送给单片机控制器，单片机控制器把获得的数据进行处理以后按照设计的CAN应用层进行组帧，然后利用CAN总线控制器形成CAN包，通过CAN总线收发器发送到控制器局域网络CAN总线上。CAN总线会对各房间节点进行巡检和查询，当从监控计算机发送的指令需要某个房间节点上传数据或者某个房间节点需要主动上传数据时，房间节点便可以将CAN包发送到嵌入式Ethernet-CAN互联网关。互联网关接收到CAN数据包以后首先对它进行拆包，提取出其中的CAN应用层数据，然后将这些有用的数据添加TCP传输层和IP网络层数据组合成为网络数据包，便可以发送到以太网上。各房间节点发送到CAN总线上的数据通过嵌入式Ethernet-CAN互联网关转换之后发送到以太网上，继而传送给监控计算机[3]。同样，操作人员可以根据所接收到的数据来判断各个房间的情况，从而做出判断并发送数据以执行相应的动作。监控计算机发送的数据通过以太网传送给嵌入式Ethernet-CAN互联网关，与此同时互联网关将以太网数据转换为CAN包并发送到CAN总线上。各房间节点CAN控制器便可以获取与自己标识符相同的数据包，并进行解析以便获得具体需要执行的数据。各房间节点的单片机根据解析出的数据来控制继电器的开关，继而控制各房间的照明系统，这样便完成了监控计算机所发送数据所需完成的任务。

图1 网络化智能照明系统框图Fig.1 Diagram of networked intelligent lighting system

2 各房间节点电路设计

每个房间节点的总体框图如图2所示。其中单片机采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2型号单片机，此系列单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，具有60K的Flash程序存储器和1280字节的SRAM，并且具有双串口。各房间节点利用此款单片机作为微控制器来控制各传感器以及CAN接口等模块。

图2 各房间节点电路框图Fig.2 Diagram of the circuit in each room

2.1 照度传感器电路

在现代化的生活当中，照明系统无处不在。人们在享受照明带给人们舒适便捷生活的同时，却存在着电力浪费的问题，存在着白天光线好的时候不关灯、人走忘记关灯等问题，尤其是国家现在大力提倡节能减排、勤俭节约，就使得这个问题更加突出。为此设计了一种照度传感器电路，此电路可以检测出周围环境中光的照度，也就是灯光亮暗的程度。如图3所示，其中N1为光敏电阻，将其一端与地相连，另一端通过10K电阻与电源5V相连。光敏电阻的工作原理是内光电效应，其电阻的阻值会随着不同的光照而发生变化。当外界环境光照变强时，光敏电阻的阻值会变小，由于R14的阻值不变，所以R14和N1的总阻值会变小。由于加载在这两个电阻上的总电压恒为5V，所以随着总电阻的变小流过两个电阻的电流会变大，则R14两端的电压会变大。由于电阻的分压作用，N1两端的电压会变小，即光敏电阻AC端电压会变小；反之当外界环境光照变弱时，光敏电阻阻值较大，则AC点电压会变大。此电压的改变值为连续变化的模拟量，将它与单片机的一路A/ D转换接口相连，便可以将此模拟量测量出来。需要注意的是，光敏电阻的阻值变化范围需与分压电阻R14相匹配，若光敏电阻的阻值远远大于或小于分压电阻的阻值，则光敏电阻一端测量的电压不会随着照度的变化而有太大的变化，便不能测量出环境中的亮度和光强了。此处光敏电阻的变化范围为4～20K。将测量得到的模拟电压变化值输入单片机的同时，也可将此模拟电压输入电压比较器，从而获得一个数字量的输出。如图3所示，LM393为双电压比较器，其中1脚是比较结果输出，通过上拉电阻R17与5V电源相连，2脚和3脚是输入比较的两个电压值。将光敏电阻一端的电压AC输入LM393的第三引脚，另外一个用来做参照的电压IN输入LM393的第二引脚。当AC＞IN时，LM393第一引脚输出的 OUT就会是高电平 1，当 AC＜IN时，则LM393第一引脚输出的OUT就会是低电平0，这样便可以获得周围环境照度的一个数字量。其中D6为指示灯，R16为限流电阻。当LM393第一引脚输出的OUT为1，则指示灯D6不亮，若输出为0则D6点亮，这样就可以通过指示灯直观地知道周围环境中的照度相对于一个设定阈值的大小，也可以将此信号用作简易开关。其中用作阈值的参考电压IN可以通过可调电阻R18加以调节，以满足周围环境对亮度和光强的实际需求。因为测量得到的AC是模拟量，而单片机控制的是数字量，所以需要进行A/D转换。A/D转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制的过程。照度传感器所采集到的信号AC输入单片机的第41引脚。此引脚为单片机的A/D转换端口之一ADC1。STC12C5A60S2单片机共有8路10位的高速A/D转换器，其A/D转换端口在单片机的P1口，其转换速度最高可以达到250KHz。

2.2 温度传感器电路

图3 照度传感器电路图Fig.3 Circuit diagram of the iluuminance sensor

温度传感器可以测量周围环境中的温度，当温度过高或过低时可以发出报警，以利于控制系统对环境中的空调等设备进行调节，从而获得使人体舒适的温度。此处温度传感器选用DS18B20芯片，如图4中的U5所示，它仅有三个引脚：1引脚与地相连；2引脚通过上拉电阻与5V电源相连，并且与单片机的引脚相连，将测得的温度传给单片机；3引脚与5V电源相连。此温度传感器体积小巧，电路简单，是一线式温度传感器。即使3脚不接电源，2脚也可以从单片机摄取能量给自己供电。而且芯片可支持的电压范围为3V～5.5V，既可以用在传统的5V供电的单片机上，也可以用在功能更加强大的以3.3V供电的ARM上。DS18B20测量温度范围广泛。同时该芯片可以通过编程使其达到测量温度的不同的分辨率，可编程分辨率的分辨位数为9～12位，位数越高，可分辨的最小温度越小。DS18B20内部ROM中有光刻的64位序列号,是出厂前就被刻好的，它可以认为是该DS18B20的地址序列码，就像是给每一芯片都做可一个标识符，那么在需要一根总线上需要挂接多个DS18B20的时候就可以通过标识符知道哪个温度数据是哪个温度传感器发送的，而且可以降低成本。在使用DS18B20时是通过配置其暂存寄存器来实现的，DS18B20暂存寄存器分布主要有：温度值低位、温度值高位、高温限值、低温限值、配置寄存器。其中温度值高位和低位是用来发送指令和采集数据的，高温限值和低温限值是用来设置可测量的最高温度和最低温度的，当环境中的温度高于高温限值或者低于低温限值时会发生报警。配置寄存器可以设置DS18B20的工作模式和分辨率。DS18B20内部有EEPROM，设置的分辨率及报警温度都存储在这里面，即使掉电了数据依然保存在里面。此芯片还有一个负压特性，即当它的电源极性接反时不会因为大量的发热而烧毁。

图4 温度传感器电路图Fig.4 Circuit diagram of the temperature sensor

2.3 热释电红外传感器电路

热释电红外传感器电路如图5所示。U7便是热释电红外传感器RE200B。该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。因为人体的热量所散发出的红外线的波长是 9～10μm，而此传感器的工作波长是7～14μm，正好可以检测出人体的红外线，从而可以确定是否有人的存在。由传感器的封装可以看见传感器的表面有一块透明的玻璃，这块玻璃的作用就是滤除掉人体以外的波长，从而排除干扰，更好的实现传感器的作用。RE200B对垂直于其表面玻璃长边的信号比较敏感，所以在安装的时候最好把传感器的玻璃长边平行于上门框，从而人进人出的时候传感器就可以收到更加灵敏的信号。为了增加传感器的测量距离和范围，可以在传感器外套置一个涅菲尔透镜，此透镜可以改善传感器测量的角度和距离。传感器测量到的信号是非常微弱的，需要后续的信号调理电路进行处理。信号调理电路核心芯片选择BISS0001，它可以把热释电红外传感器的信号处理为单片机可以识别的信号。

图5 热释电传感器电路图Fig.5 Circuit diagram of the pyroelectric sensor

2.4 CAN总线电路

CAN总线硬件电路主要由CAN总线控制器SJA1000和CAN总线收发器PCA82C250组成。SJA1000可以支持不同的微处理器接口，并且可以处理CAN总线标准帧和扩展帧数据[4]。PCA82C250是CAN总线收发器，它的作用就是把CAN总线控制器SJA1000发送的数据转变为符合CAN总线物理层标准的信号，并进行放大、传输到总线上；并且将从总线上接收到的信号转变为CAN总线控制器所能识别的电平信号[5]。各房间节点的微控制器通过各种传感器采集到的数据便可通过此控制器和收发器传送到CAN总线上，继而通过网关传给监控计算机。与此同时各监控计算机发送的指令数据也可通过网关发送到CAN总线上，继而通过此发送器和控制器传送给各微控制器，从而控制继电器的闭合。

3 结束语

通过实验结果可以看到，各房间节点硬件工作正常，传感器可以测量环境中的温度、照度的数据以及进行人体检测。所测得的数据可以准确快速的通过互联网关传递给监控计算机，同时各房间节点电路可以实时执行监控计算机发送来的命令，继而控制照明系统。实现了简单的网络化智能照明控制系统，若对其功能加以完善，则可以在实际生活加以推广应用，具有很大的潜力。

[1]郭冉.物联网智能家居监控系统平台的设计与研究[D].湖南:湖南大学，2011.

[2]朱齐丹，孙磊.基于CAN总线智能照明系统的设计和实现[J].应用科技，2008，12.

[3]孙晶.基于物联网技术的工厂智能照明系统的设计[D].四川：成都理工大学，2012.

[4]李春光.嵌入式Ethernet/CAN网关接口设计与驱动[J].嵌入式网络技术应用，2008，62.

[5]饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

Design of Networked Intelligent Lighting Control System

ZHANG Hua，CHEN Xing，LI Song
(School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China)

This paper proposes an intelligent lighting control system based on networking technical Ar-chitecture to solve the problem of short communication distance,low data transfer rate,high error rateand poor reliability of the traditional lighting control system.And it carries out a detailed description of each sensor circuit,including the iluuminance measurement circuit,temperature measurement circuit,human detection circuit,CAN bus communication interface circuit and so on.The sensor circuits can detect the environmental parameters in each room.And the experimental results show that the design has achieved the targets to meet the requirements of intelligent lighting control system.

intelligent lighting；MCU；CAN bus；photoresistor；pyroelectric sensor

TP29

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.053

1002－6673（2014）03－139－03

2014－03－18

张华(1987-)，男，湖北随州人，在读硕士研究生。研究方向：机电控制；陈星（1963-），男，辽宁大连人，副教授。研究方向：嵌入式系统与工业控制网络应用。已发表论文多篇。