基于物联网的多指标综合控制室内灯光系统

鲁宇加 蔡家林 崔赫 曲灏

摘  要：面对市面上灯光系统集成度低、控制逻辑过于简单的问题，利用双MCU（STC89C52）的性能，集控制灯光照度、色温、人体感知三项指标为一体，同时通过使用中断系统配合C语言、LoRa无线通信实现系统自动控制逻辑的设计，在进行了多次模块化设计与调试后，设计研发出一套较为可靠的系统，一定程度上改善了市面产品存在的不足之处。

关键词：物联网;LoRa;STC89C52;色温;亮度

中图分类号：TN929.5  文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）12-0172-05

Abstract： Aimming at the problem of low integration and too simple control logic of lighting systems in the market， using the performance of dual MCU （STC89C52）， integrates the control of three indexes of lighting illumination， color temperature and human perception as a whole. At the same time， the design of automatic control logic of the system is realized by using interrupt system with C language and LoRa wireless communication. After many modular design and debugging， a set of more reliable system has been designed and developed， which has improved the shortcomings of market products to a certain extent.

Keywords： IoT; LoRa; STC89C52; color temperature; brightness

0  引  言

1991年，在美國提出“绿色照明计划”后，大多数国家包括中国纷纷加入到绿色照明计划中，其中最主要的当属智能化控制。未来城市发展必定以绿色低碳、节能环保、可持续发展为主要目标。并且在我国“十二五”计划中大多数发展项目都围绕着绿色发展来进行着。再者，社会的进步，科学技术的发展和人们不断改善的生活水平，更舒适、方便和安全的家庭生活逐渐地被人们所关注。

随着智能家居行业的发展，越来越多的智能产品走进了人们的生活中，这些产品对于人生活的影响力也逐渐增大。纵观目前市面上在售的各类智能灯光产品，其都有着两个方面的明显缺陷，一是智能化传感器的集成度过低，导致在传感器的安装与使用上有着诸多的不便;二是在灯光的控制上，在智能化方面都只能够实现较为简单的灯光亮、灭的变化调节，而对于在不同场景对亮度有着的不同需求的灯光亮度调节能力仍有着明显的不足。此外还有很重要的一点，人的两眼对于色温的适应程度是有限的，而当遇到阴天或无窗的环境时，色温便只由灯光决定，故以此为契机，本设计旨在打造一款可检测当前室内色温，并对室内色温环境加以调节的系统。因此，通过本设计可以做到：使灯光真正的与房间融为一体，解决了房屋灯光一体性差、自动化程度低的问题。

相比于国内，智能照明控制在国外更多地被使用，例如日本。日本的多数医院采用了智能照明控制系统，采用了光照度以及人体感应器来对医院大多数地方进行自动控制并且在病房中采用了定时的控制方式保证病人的正常作息。并且欧美等国家的产品在中国已经销售大约十多年，相同的产品在行业中不论是名声还是技术相比国内自主品牌都有着极大的领先。

由于我国一些企业在智能灯光控制领域的研究时间相对较短，在国外品牌的冲击下，国内企业生产出的一些智能控制产品无论是技术标准以及售前售后的能力都不及国外的品牌。

随着现代社会对保护自然环境、节约能源追求可持续发展愈加重视，对于使用的灯光控制系统的要求逐渐增加，对硬件的稳定性、通信、操作等方面要求更加灵活、安全等。

1  灯光系统的基本工作原理

1.1  灯光系统整体设计流程

系统采用51系列单片机为控制核心的多模块为一体的控制平台进行测量、计算、控制。在系统完成初始化后采集下位机信号进行外界信号的采集，处理后通过LoRa物联网模块发送给上位机，上位机通过NB-IoT物联网模块接收到信号后进行计算得出控制目标后再通过LoRa物联网模块发送给灯光控制下位机，灯光控制下位机通过LoRa物联网模块收到控制目标的信号后将灯光控制在所得的目标状态。

1.2  灯光系统设计实施方案

该系统整体可分为两部分：第一部分是传感器参数整合端，该部分提供了对传感器所有信号的读取、接收;第二部分是信号输出部分，该部分提供了对被控灯光相关参数的控制与改变功能。

1.3  灯光系统工作原理

根据系统设计流程与采用的实施方案，确定如图1所示的单一传感器组件控制灯光的工作过程。其首先通过对室内环境的数据采集，并将所采集到的数据通过内置的模数转换元件转换为数字量，再将数字量发送给上位MCU进行读取与处理。

上位MCU与下位MCU通过LoRa实现串口通信，最终通过接收到相关数据的下位MCU控制LED灯组实现亮暗、色温、通断等变化。

1.4  通信模块的工作原理

通过对引脚的布置，我们可以得到本文使用的通信模块与MCU的接线原理，于是得到如图2所示的接线图。

1.5  照度传感器模块的工作原理

在进行了合理的引脚部署后，我们可以得到模块各引脚的功能。具体的，TXD作为地址引脚，对其赋值的不同可实现照度传感器以不同精度输出勒克斯（lx）数值的功能。在表1中列举两个关键模式。此外，当TXD赋值0000_0000（悬空或接地）时，该传感器默认使能。因此得到该传感器与单片机IO口接线的方式如图3所示。

1.6  颜色传感器模块的工作原理

如图4所示，颜色传感器TCS-3200共有10枚引脚，其中有S0、S1、S2、S3四位作为滤波引脚来工作。不过TCS-3200的S0、S1引脚已在内部默认100%输出频率设置，即二者皆为高电平，故无需额外的接线。而S2、S3则有表2所列的滤波功能。

所以，对S2、S3提供不同的高低电平，便可获得不同的环境光温度的RGB值。此外，TCS-3200还设有一个OUT引脚，将其接入定时器中，该传感器即可实现肉眼观察上同时输出的R、G、B三色数据，从而实现了对外界颜色的识别。

1.7  人体传感器模块的工作原理

人体传感器选用HC-SR501型传感器（DYP-ME003），其表面默认附有菲涅尔透镜，可以折射外界的红外线（人体所发出的红外线）进入传感器部分，并进而改变自身OUT端口的输出电平，从而达到控制灯光亮灭的功能。需要注意的是，该模块在通电后会有近1分钟的自动初始化时间，期间还无法提供该模块的正常功能。故在通电初期，为实现灯光系统的全部功能，需要先等待其经过一个初始化的过程。接线方面，该人体传感器较为简单，具体接线方式如图5所示。

2  硬件电路设计

2.1  微控制器的最小系统设计

根据项目所需的引脚资源以及成本所致，在MCU部分本文选用51系列单片机STC89C52，并在此基础上设计出相应的最小系统。其最小系统包括外部晶振部分和自动、手动复位部分，同时为所选两块单片机的P0口统一提供上拉电阻排使其使能，可以提供与其他IO口一样的基本功能。图6为两单片机组成最小系统的原理图。

2.2  上位MCU相关传感器与通讯模块的设计

该部分在第3章各模块介绍中已着重说明。此外，因各个传感器在向单片机写入数据时具有：占用引脚数量少、数据长度最高16位的特性，故本设计将照度传感器、颜色传感器以及人体传感器的输出引脚皆分配给予P1口，以实现引脚功能的紧凑性。

2.3  下位MCU相关电路的设计

下位MCU主要为本地操作的按键模块以及灯光系统的核心：LED冷暖色灯组提供输入、输出引脚。

为满足按键操作的多样性，故采用4×4按键矩阵作为按键设计，并为其分配整个P2口作为控制系统和灯光的交互媒介。

LED灯组内部采用串并结合的接线方式，外部整体由VCC供电，并将两套灯组的阴极分别接于下位MCU的P1.0、P1.1口。

具体接线如图7、图8所示。

2.4  灯光系统整体电路设计

综合前文的介绍与设计以及图2至图8，系统的各模块以及主体运行框架已基本完整，故原理图不单独呈现。附项目相关实物现象图供参考学习，如图9、图10所示。

3  软件程序设计

3.1  软件程序设计流程图

根据项目上下位机的设置以及其功能的不同，设计了如图11所示的流程作为程序编写的整体逻辑参照。

3.2  关键程序部分设计

本项目软件逻辑复杂程度较高，程序編写难度较大，同时对传感器本身精度的要求也较高，在第三章硬件选型基础上进行额外的通信与控制调试，仍暂无法完整实现最初所设定的所有功能。但在绝大多数关键部分上已经实现了相应功能，后续还待改进模块并进行调试。

在程序的编写过程中，有部分模块的对应程序函数较为重要，其中包括：无线串口通信模块通信程序对应的通信校验函数uart_crc（）、data_valid（）;照度传感器工作程序的部分传感器触发函数Multiple_read_BH1750（）、BH1750_Start（）、BH1750_Stop（）;灯光模块手动、自动光色转换程序中利用了MCU的中断0以及中断1，以此手动产生稳定的PWM脉冲程序控制不同色温灯对应的亮度。

4  结  论

本文所设计的室内灯光系统综合了多种传感器的应用、LoRa宽频无线通信技术相关模块的应用、手动与自动控制相结合的应用以及对灯光色温、亮度等参量的整体分析与设计。是一个集成度较高、工程量较大、实用价值较高的综合系统。

通过对本灯光系统设计的学习与了解，可以掌握相关灯光调控功能传感器的应用常识，同时对物联网通信也会有较为深入的掌握、对单片机的串口工作原理有更深层次的理解。这也是本研究带来的额外价值。

回到系统本身，在进行模块整合的过程中，我们遇到了一些程序逻辑无法解决的问题，其中最为突出的即是光强度与色温的共调节问题，二者的兼容调节涉及双闭环PID控制系统的实践，但由于时间问题，我们没能搭建出一套完善的闭环控制系统，但已经做好了相关软硬件接口，方便后续的研究或他人进行借鉴。

总体而言，本项目完成度并不是很高，距离真正成为产品化设计还有一定差距。但就当前已实现的效果而言，仍可说该系统已然是一套简洁、可实际应用的灯光系统。

参考文献：

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[7] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.

作者简介：鲁宇加（1999—），男，汉族，内蒙古鄂尔多斯人，本科在读，研究方向：电力电子与传动;蔡家林（1999—），男，汉族，福建福州人，本科在读，研究方向：电力电子与传动;崔赫（1999—），男，朝鲜族，吉林吉林人，本科在读，研究方向：电力系统与自动化;曲灏（2000—），男，汉族，北京人，本科在读，研究方向：电力电子与传动技术。