基于单片机的家居智能灯控系统设计

熊 松，肖春生

(江西生物科技职业学院 江西南昌330200)

0 引 言

在现代家庭生活中，大部分家庭照明灯都是通过外接手动开关控制的，许多粗心的住户时常出现忘记关灯、白天光线充足误开灯等浪费电能的现象。随着现代物联网技术的飞速发展，如果能将智能技术与LED照明技术相结合，设计一套家居灯光智能控制系统，使得住户可随心所欲地对家居照明进行控制，同时使家居灯光具备自动开闭和自动调节光亮的能力，不仅能节约家庭用电量，还能提供给住户更优质、舒适的生活居住照明体验。

1 家居智能灯控系统方案设计

本文设计的家居智能灯控系统是利用传感技术、通信网络技术、单片机控制技术以及集成技术等组建起来的一个综合信息控制管理系统，其主要实现对家宅灯光的智能管理。用户可通过手动开关、无线遥控、一键场景切换、远程控制等多种控制方式对家宅内灯具进行一对一开闭、调光控制以及对不同区域(如卧室、客厅、卫生间、厨房、过道)灯光的系统控制。同时根据家居环境的监测完成对室内灯光开闭和调光的智能控制，实现“人来灯亮、人走灯灭”的节能用电模式。

2 系统硬件设计

2.1 主、从机硬件设计

本文设计系统的硬件采用主、从机控制方式，其硬件设计结构如图1所示。主机控制芯片选用宏晶科技生产的 STC12C5A60S2单片机，其指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8～12 倍，功能主要为接收并处理来自各控制节点传递来的信息。手机、电脑等智能终端用来向主控芯片发送控制指令以及接收来自主机的信息。按键输入模块完成系统相关参数的设置及手动模式切换控制。时钟芯片DS1320为单片机提供时间信息，与单片机之间采用同步串行方式进行相互通信。LCD液晶显示为人机交互的界面，时钟信息、状态信息、功能选择信息等均通过液晶界面进行显示。USB接口除了给主机供电外，还可作为程序修改的预留接口，由 Keil C51软件生成的.hex文件可通过该接口烧录至单片机芯片中去。

从机被控芯片选用价格实惠、功能齐全的STC89C52单片机，功能主要表现为将家居环境各个区域收集的环境检测数据实时发送至主控芯片，同时接收来自主控芯片的控制指令去驱动光电耦合继电器控制照明设备电源的通断。室内环境检测模块包括光照探测器 BH1750和人体热释电红外感应模块HC-SR501，BH1750可测光强度变换范围 1～65,536,lx，接近视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行 1,lx的高精度测定。HC-SR501供电电压低、感应角度＜100 °锥角，可检测大于 7,m 的距离，适用于家居环境检测。调光模块根据室内环境检测模块监测的数据控制灯具亮度，维持家居环境光照水平。

主从机之间利用 Zigbee组网技术进行双向通信，完成整个家居智能灯控系统各环节点信息间的相互传递。

图1 家居智能灯控系统主、从机硬件设计结构图Fig.1 Home and intelligent lamp control system main and slave hardware design structure diagram

2.2 Zigbee通信网络的搭建

Zigbee无线通信是近些年兴起的一种低功耗、低成本、低传输速率、信号传输距离远、控制快速便捷、安全性高、组网灵活的通信技术，其技术优点对比其他短距离无线通信技术非常适合智能家居产品的控制，如表1所示[1]。

表1 几种短距离无线通信技术比较Tab.1 Comparison of several short distance wireless communication technologies

本系统通过组建Zigbee无线网络与家居照明灯互连，结合无线传感技术，实现家居照明灯间的物联网通信，同时方便住户更好地对家中照明设备进行管理，住户可以利用手机或者电脑终端对整个家庭的照明灯进行控制。ZigBee通信网络是基于统一的 IEEE 802.15.4无线传输标准协议，其主要由终端节点、网络中心协调器、家庭网关等部分组成，如图2所示。各区域终端节点中的传感器将测得的环境参量(如光线强度、红外检测等)提供给网络中心协调器。网络中心协调器负责建立ZigBee网络以及对各网络节点进行管理，其在接收来自家庭网关的相关控制指令信息后，将指令信息按照相应线路传达至各区域终端节点，同时还可收集来自各终端节点的检测信息，进行分析后在串口 RS232的支持下利用异步收发传输器(UART)与家庭网关进行信息的双向传输。家庭网关是对内外部信息进行交换的聚集点，它的功能是转换协议和传递信息[2]。

图2 家居智能灯控系统通信结构图Fig.2 The communication structure diagram of home intelligent lamp control system

3 系统软件设计

本系统利用Keil C51开发编译软件进行软件开发设计，使用C语言完成系统开发程序的编写。系统上电后，先完成 LCD显示模块、短信模块、时钟模块、传感模块等的初始化设置，然后建立 ZigBee通信连接处理来自各节点传感设备和家庭网关的信息，最终通过输出控制实现各项功能。

3.1 主机功能实现

图3 主机程序流程图Fig.3 Host program flow chart

主机的程序流程图如图3所示，其功能实现主要概括为以下 5点：①将家庭各区域传感检测到的参数、通信状态以及继电器实时通断等情况显示在LCD显示屏上。②通过按键实现系统的功能设置及模式的切换，包括万年历、时钟等的设置及自动和手动等模式的切换。③实现在室内环境光强度减弱时LCD自动调整背光，进入节能工作模式。④远程GSM 信息查询家居环境参数以及远程发送控制指令。⑤向从机继电器发送通断控制指令信息等。

3.2 从机功能实现

从机的程序流程图见图4，其功能实现主要概况为以下 3点：①接收来自主机的控制信息，并根据控制指令驱动继电器通断工作。②将光传感、红外传感等采集的家居环境信息通过ZigBee无线网络传送给主机。③自动模式下控制家居灯的智能通断。以卧室照明自动控制为例，其程序设计流程如图5所示，当光照探测器检测到光强度小于 300,lx(根据《建筑照明设计标准》，300,lx的室内光照度有利于书写、阅读及视力的保护)，同时热释电红外感应装置检测到室内有人存在时，从机控制芯片发出控制指令驱动继电器打开适合盏数的照明灯，该功能充分利用室内环境的自然采光，实现节能效用的“人来灯亮”。当热释电红外感应装置检测到室内没人时，从机控制芯片发出控制指令驱动继电器关闭照明灯，实现“人走灯灭”。

图4 从机程序流程图Fig.4 Slave program flow chart

图5 自动模式灯控流程图Fig.5 Automatic mode lamp control flow chart

4 结 语

随着我国房地产市场的火热、人们节能意识的增强以及住户对美好舒适环境的憧憬，家居智能控制将会逐渐成为未来家庭装修的首选。因此，对家居智能灯控系统的研究具有非常好的市场前景。本系统能够为住户提供良好的照明体验，同时具备节能环保效果。但是系统在设计过程中还存在一些欠考虑的因素，例如场景模式的设计过于单调、系统安全性不足、与其他家居产品进行智能互联不流畅等，这些均需要在以后的设计研发过程中不断改进和完善,。