基于无线通信的智能照明控制系统设计

杨国政

（中山市古镇镇生产力促进中心）

基于无线通信的智能照明控制系统设计

杨国政

（中山市古镇镇生产力促进中心）

通过对DL-20无线通信模块、光敏电阻、HC-SR501人体红外感应模块和STC89C52单片机的研究，提出一种智能照明控制系统的设计方案。该系统由控制终端和主机两个部分组成。控制终端能够根据环境的光照强度及是否有人出现在监控范围内，对照明灯的亮灭进行自动控制，并能控制无线通信模块工作，将当前终端的系统运行状态信息发送给主机；主机用于显示各终端的当前的运行信息，并能下发控制命令，对每个控制终端照明灯进行控制。本文介绍了智能照明控制系统的实现过程，分析了系统的实现原理。与传统的控制方式相比，该方案具有功能多、处理速度快、现场应用灵活等优点。

无线通信；智能控制；照明控制；单片机

0 引言

随着时代的发展，人类对于资源的需求越来越大，尤其是电能与人们的生活息息相关。特别是在照明方面，人类已经离不开电灯，但在现实生活中，由于人们的意识薄弱，造成了电能的浪费。本文的目的就是通过设计一种智能的照明控系统来用于现实生活中，这样不仅提高人们的生活水平，也能实现节约能源，延长灯源的使用寿命等。

1 系统总体结构设计

智能照明控制整体结构由四部分组成，分别是主机、控制终端、传感器和照明灯。主机利用无线通信的方式，下发控制命令对控制终端的系统运行状态信息进行读取，并将读取的结果进行显示；控制终端实现两部分功能。其一是完成和主机的通信，将当前设备运行信息发送给主机。其二是接收和处理传感器的输出数据，并根据处理的结果下发控制命令给照明灯驱动模块，控制照明灯的打开或关闭。系统组成框图见图1。

图1 系统组成框图

2 系统硬件电路设计

智能照明控制系统的硬件由两部分组成，分别是主机和控制终端。主机和终端之间通DL-20无线通信模块进行通信，实现终端设备运行状态的读取和控制命令的下发。

2.1 控制终端设计

控制终端电路由输入采集电路、单片机最小系统电路、输出控制和通信电路组成。

输入采集电路利用HC-SR501红外热释电模块，判断是否出有人出现在检测的范围内。利用光敏电阻实现环境光照强度采集。设计四个按键分别代表“手动按键”、“自动按键”、“开灯控制按键”和“关灯控制按键”，实现对系统当前工作状态的识别。

主控单元由STC89C52单片机、晶振电路和复位电路三部分组成；晶振电路负责为单片机工作提供时序；复位电路作用是为单片机提供一个复位信号，使程序能够正常地运行。

输出控制电路由照明灯控制电路和LED提示模块两个部分组成。照明灯驱动电路由单片机控制继电器的线圈实现对照明灯供电电源的控制。LED提示电路由单片机控制“手动指示灯”和“自动指示灯”，对系统当前所处的工作状态进行指示。通信部分采用基于ZigBee技术的DL-20通信模块，单片机通过操作内部串口与模块之间进行通信，完成数据的收发操作。主控电路见图2。

图2 主控电路

2.2 主机设计

主机由单片机最小系统、通信电路、液晶显示电路、电源电路和按键电路组成。主机各电路中，通信电路、电源电路和单片机最小系统采用和控制终端电路进行设计相同。液晶显示电路选择LCD1602进行显示，按键电路中设置两个独立按键。在“开灯按键”和“关灯”按键均未按下时，主机定时下发查询命令，查询节点工作状态；当“开灯按键”按下时，主机向所有终端节点下发开灯控制命令，当“关灯”键按下时，主机向所有终端节点下发关灯控制命令。主机电路见图3。

3 系统软件程序设计

3.1 控制终端主流程设计

系统软件工作后，首先执行初始化程序，初始化程序中完成对单片机IO引脚的分配，模数转换芯片引脚配置和串口的初始化。初始化完成后程序进入一个while（1）无限循环体。在循环中顺序执行如下操作：

1）初始化完成后，扫描输入按键，判断出系统当前的工作状态，若为手动模式，根据输入按键值，控制继电器动作，进行开关灯操作；若为自动模式，执行第2）步操作；

2）首先调用通讯程序，接收主机发送的命令并进行处理，若接收命令为控制命令，则根据命令值，进行开/关灯控制，执行完成后返回上一步操作执行。若为查询命令，调用传感器检测程序，采集当前环境参数，并根据采集结果进行开/关灯控制，控制完成后，上传本节点的状态信息，发送完成后，返回到上操作执行。控制终端主程序流程见图4。

图3 主机电路

图4 控制终端主程序流程

3.2 主机主流程设计

系统软件工作后，首先执行初始化程序，初始化程序中完成对单片机IO引脚的分配，定时器初始化和串口的初始化。初始化完成后进入一个while（1）无限循环体。在循环中顺序执行如下操作：

1）初始化完成后，对输入的按键进行扫描，若为“开/关灯命令”，主机下发开关灯控制命令，第3）步操作。若无键按下，则执行下一步操作。2）判断是否到轮询时间，到轮询时间，则下发轮询控制命令，等待节点回复信息，收到回复后，程序进行第3）步执行，未收到回复，一直等待节点回复信息；若未到轮询时间，程序回第1）步执行。3）当前节点地址加1，液晶上显示当前节点状态信息，显示完成后，判断当前节点是否为最后节点，若为不是最后节点，程序回到第1）步开始执行。若最后节点，程序进行第4）步执行。4）节点地址清零后，返回到第1）步操作执行。主机主流程如图5所示。

图5 主机主流程

3.3 通信程序设计

在通信过程中，主机下发查询命令，实现控制节点的运行状态查询。主机下发控制命令，可对控制节点所控制的照明灯工作状态进行控制。下面将对主机和控制终端之间的通信协议介绍：

主机和控制终端之间数据采用16进制方式进行传输，一帧数据由9字节组成。其中帧开始为FF，终端地址用（00～FF）进行表示，命令字符（01～02），用于表示主机下发控制命令或查询命令。数据字符由四个组成，用于表示主机和控制终端之间的通信数据。状态字符（00～01）用于从机回复主机的控制性命令完成状态。帧结束用AA表示。下面以控制终端回复命令为例，端对通信协议进行举例说明。控制终端回复数据见下表。

表 控制终端数据回复帧格式

根据通信协议可知，表中控制终端回复的数据代表05号控制终端收到主机下发的关灯控制命令，当前节点的光照强度为64xl，没有人员出现在监控范围内，当前照明灯处于关闭状态，关灯控制命令已执行完成。

4 结束语

本文主要介绍了一种基于Zigbee通信模块和单片机的智能照明控制系统设计方案，对系统的硬件电路进行设计，完成了主机和控制终端的硬件电路设计。并在此硬件基础上，对软件程序进行了设计，实现对照明灯的自动控制、手动控制和远程控制等功能。从实际应用效果来看，该系统具有控制灵活、实用性强等优点，能够满足对照明灯的自动控制要求，具有很高的推广价值和市场应用前景。

[1]贾正松.基于单片机实现智能照明控制系统设计[J].现代电子技术.2009(17):105～107.

[2] 顾大成,陈丽,张子郡.基于ZigBee技术的物流监控设计[J].物联网技术，2013， 3(2): 79-81.

2016-11-15）