基于网络通信的智能照明系统设计

厉炎均

枣庄市中医医院，山东 枣庄 277000

0 引言

随着社会科技的发展，目前借助科技手段可以使智能化家电和手机、计算机等终端实现互联通信，促进智能家居的发展。网络通信智能照明系统可集成微型控制器与无线传感器设置智能灯具，不仅能够实现智能化家居管理，还能为人们提供环保节能的照明环境。

1 智能照明系统需求分析

某办公楼由钢结构与钢筋混凝土结构构成，共3层，第1层是控制间与实验室，为操作人员与试验人员的工作区域；第2层为设备层，放置控制柜、空调机体、空压机设备等，人员较少；第3层为办公区与实验室。该办公楼的照明设备较为分散，为了保证灯具的有效控制，设计照明系统需求如下：（1）人员走进工作区域需开启全部照明设备；（2）对于开放式办公区，由于和窗户距离较近，光线充足，将照明设备光照强度调低，窗户距离较远位置光线不足，应调高设备光照强度；（3）对于茶水间、杂物间、打印室等场所，为了便于员工使用，照明设备为常亮状态，会加大电能损耗，可采取敏感调节方式，无人时关闭照明设备，有人员活动及亮度不足时，开启照明设备[1]；（4）工作结束关闭全部照明设备，调节不同场景的设备亮度，否则会造成能源浪费，影响员工的工作效率。

2 系统硬件设计

2.1 网络通信模块

应用网卡芯片ENC28J60用户能够在MCU上通过RS232扩展以太网，进而根据TCP/IP协议实现网络通信。网卡芯片和主控制器通信，主要是利用RS232接口与中断引脚实现，提供内部DMA模块，迅速吞吐数据，支持硬件及IP校验计算，通信最高速度约为10 Mb/s。专用引脚与LED连接后，网络活动状态会亮起指示灯，网卡芯片具有接收器能够接收、过滤具有广播、组播、单播地址的数据包。在数据字段中，以太网数据长度能够在1 500字节范围内进行变换，超出该范围则违反以太网标准，会被节点丢弃[2]。网卡芯片如果设置巨大帧设置位是1，即可接收与发送大规模数据；填充数据字段中，只有数据字段不超过46字节方能达到填充效果，网卡芯片数据包发送中，自动填充为0，接收时数据包低于18字节自动拒绝。在CRC部位，网卡芯片数据包接收中，会对传入CRC进行逐一检查，判断数据是否正确，发送数据包也会生成有效CRC，便于接收方检查。

2.2 控制模块

采用芯片CC2530，兼容8051内核，带有AD转换电路，支持网络通信协议。系统中路由器、控制器、终端设备节点，均需搭载该芯片。该芯片传输数据效率更高，支持网状网络结构，传输距离更远、覆盖面积更广。在网络通信中，需应用传感器信号调节电路，简化硬件电路设计。

2.3 终端节点模块

为了更加贴近使用场景，借助LM258与LM224运算放大器，设计输入电压处于0～10 V的调光接口电路，网络通信模块接收信号后，经过运算可生成对应PWM占空比脉冲信号，输出值调光接口电路引脚位置，以控制LED灯具。LED简单调节电流方式，是改变LED串联的负载电流，检测电阻，通过DC/DC恒流控制芯片，检测电流接口，以保证检测电压及芯片参考电压比恒定控制电流[3-4]。此过程中，考虑功耗问题，选择检测电流电阻较小，则难以实现控制，可直接更改采样电压，通过设置LM224A电压进行输出电流设置，完成LED驱动电源调光。

2.4 调光驱动模块

照度采集作为智能照明系统的核心，是控制器调控节点的依据，要求节点准确采集照度值，反馈信息至控制器，确保系统稳定运行。该设计选用照度传感器BH1750为核心采集模块，其使用两线式串行总线接口集成电路，分辨率高，无须外部插件，可直接测量环境光强度，运行稳定、功耗小。传感器内部有PD，灵敏度高，借助光学窗口外部光线射入内部，二极管会生成反向电流，经过集成运算放大器与负载，向电压转换，进而转换电信号为数字数据，输出光强度结果。传感器原理图如图1所示。

图1 传感器原理图

检测光参数与其他指标不同，光灵敏度较高，易受其他因素干扰，为传感器设置特殊光学窗口，外部光线射入内部时，可通过测试寄存器，以达到实际测量要求。

3 系统软件设计

3.1 PC端上位机

上位机可在平台中使用C语言设计，为PC端控制程序，从而利用软件控制照明节点，为人员提供自动、手动两种灯光控制模式，相关人员可自行选择灯光亮度，同时界面会展现灯光现有调节模式、光环境参数等。开启PC端软件后，先串口通信组件初始化，能够接收来自网络通信的节点数据，连续输入上报数据，上位机则结合数据对Lab值进行持续更新，使页面展现最新数据。此外，需清除缓存串口数据，避免占用过多系统空间。上位机需通过判断界面指令，确定指令类型，为网络节点发送数据，如选择灯光亮度、控制灯光模式等。

实际程序运行中，上位机初始化串口组件时，需设置默认参数，包含数据位、串口号、波特率，向系统申请缓存4 000字节用于串口数据缓存，屏幕按键是不同类型数据，每个按键对应函数不同，据此发放不同指令至控制器。

3.2 模块通信流程

在模块通信连接中，选用W5500芯片，直接用模块开发项目，可以节省开发时间，实现数据透明传输。在网络中设置软件参数，选择串口波特率，更改模块控制器，经过简单设置，即可完成参数配置。控制器作为模块通信重要环节，能够维护局域网络，为新接入的网络节点设备，分配相应网络地址，按下复位键后，即可触发事件，读取设备是否是控制器，确定后以控制器身份启动，设置系统自启动，实现复位重启，构建系统网络。启动网络后，操作系统初始化，根据照明需求分配任务事件后，系统执行指令，对设备硬件初始化，扫描现有任务状态，等待连接网络节点。网络节点申请接入后，控制器会发起组网响应，分配网络地址，成功组网后控制器能够扫描事件状态，采集节点发送数据，即可调用函数对数据进行接收处理。

终端节点启动类似于控制器启动，检测自身为终端设备，会以终端设备方式自动启动，经过一系列初始化设置，扫描附近网络，发送请求至控制器，添加局域网即可开始传输数据，做到终端节点与控制器网络通信。还可利用串口调试软件，设置通信模块发送数据，控制器主机发送“HELLO”后，从机能接收“HELLO”，从机发送信息至主机，主机也能接收信息。

3.3 调光程序设计

照明系统调光应用PWM措施，光照传感器能够转换光信号为电信号，利用模块ADC转化模拟量为数字信号输出出去，采集照度节点CC2530模块，获取照度信息发送数据至控制器节点。控制器收到照度值后，比对预先设置阈值，如果其结果不同则发送调光指令至照明节点，生成调光脉冲信号，输入信号至调光接口，可实现智能调光，形成完整流程。该过程需重复多次，通过多次对比保证采集照度节点数据与阈值相同，系统不会发送调光指令至照明节点，维持照明状态，直至环境产生变化，重复上述流程。

4 系统测试

在智能照明系统中，利用网络通信方式接收传输指令，底层照明设备控制器转发信息，计算处理控制命令，实现LED灯具亮度调节。安装软件至计算机，连接无线网络测试系统功能。具体如下。

（1）用户登录。打开软件，输入邮箱、密码、用户名注册，成功后登录账号开始测试，发现输入不正确信息会出现提示，显示登录不成功，输入正确信息可进入系统，弹出照明调节提示框，符合预期结果。

（2）配网功能。拷贝正确代码，开关打开后指示灯为蓝色，登录界面点击按钮扫描，建立系统连接，使得计算机以照明设备产生数据包交换信息，结果显示能够扫描到系统信息，展示灯泡图标。

（3）灯光调节。在智能照明系统中，结合不同场景选择颜色、开关与亮度，以计算机控制设备变化，接入网络后，点击灯泡图标进入界面，即可调节照明设备。

5 结束语

综上所述，文章以网络通信为核心设计了一种智能照明系统，可控制照明节电，利用照度传感器对各区域照度信息加以采集，获取照明实时数据，利用L224芯片设置调光接口，实现LED调光，以解决传统调光效率低、耗能高的问题，该系统具有布置简单、高效节能的特点。