光照度传感器在智能家居照明系统中的应用

钟柱培

东莞理工学校， 广东东莞 523000

0 前言

随着物联网技术的高速发展和居民对生活质量要求的提高，越来越多的家居设备变得更加智能，传统家居正逐渐被智能家居所取代，智能家居行业得到了空前发展。智能照明系统作为智能家居系统的一个重要子系统，具有高效节能、管理简单、控制多样化、控制成本低等特点。智能照明技术在智能家居中得到应用和推广，进一步促进智能家居数字智能化的发展，让人们的日常生活更舒适、更便利。光照度传感器是智能照明系统中的核心光感模块，它可以根据环境测定的光强度值设定不同的场景，以满足人们日常生活便利的需要。

1 光照度传感器的工作原理

光照度传感器是基于光的原理发展的，是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器[1]。它采用热点效应原理，通过对弱光性有较高反应的探测部件工作，就像相机的感光矩阵一样，内部有绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层，热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内，冷热接点产生温差电动势，在线性范围内，输出与可见光照射度成正比的电信号。光照度传感器具体工作过程为：可见光通过滤光片过滤后照射到光敏元件上，光敏元件根据光照度大小转换成电信号，电信号经过放大进入传感器的处理器系统处理后，输出需要得到的二进制电信号[2]。

光照度传感器按输出信号可分为有线输出和无线输出2种方式。有线输出方式是指光照度传感器输出信号通过RS485总线与外界通信，实现其自动控制的目的，其内部结构框图如图1所示[3]；而无线输出方式是指光照度传感器将光信号精准转化为模拟电信号，再经过ADC转换成数字信号，最后通过I2C与ZigBee模组通信，把光照度值上传给网关、云端，最后到达用户手机App上显示，其内部结构图如图2所示[4]。

2 光照度传感器在智能家居照明系统中的作用

随着科技的进步和现代生活的快速发展，照明系统应用中简单的开关控制已不能满足人们日常生活的需求。在万物互联的时代背景下，照明系统控制也要实现智能化，以满足人们实际应用的需求。本文采用无线式的光照度传感器（TLGT101W-C1），实物图如图3所示，传感器电路板如图4所示。该光照度传感器主要由传感检测处理模块和ZigBee通讯模块2部分组成。其中，光照检测处理模块是至关重要的一环，通过传感器内置的光敏元件，能够将微弱变化的光信号转换为电信号，经放大、滤波、比较等处理后传入ZigBee模块，最后以无线形式传输到智能网关主控制器进行逻辑分析与判断，以按照人们的要求控制相关的终端设备[5]。光照控制系统示意图如图5所示。

无线光照度传感器其实是一个基于ZigBee技术的光照度传感器。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发根据用户自己的需要对其进行开发利用，因此，该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式[6]。

3 光照度传感器在智能家居照明系统中的应用

在智能家居照明系统中，应用光照度传感器对环境光照度进行实时的数据收集无线传输，显示并自动调节灯、窗帘等家居终端设备，构建一个舒适方便的环境，满足人们日常生活便利的需要。光照度传感器在智能家居照明系统中安装与调试如下。

3.1 光照度传感器的安装

光照度传感器应安装在四周空旷、感应面以上没有任何障碍物的地方，将探测面对着被检测环境需要检测的部分。安装步骤如下：先把传感器的底部支架通过螺丝固定在天花板上，再把传感器顺时针方向螺旋转到支架上，安装图解如图6所示[7]。安装固定后，插上充电线即能启动光照度传感器。

3.2 光照度传感器的调试

3.2.1 光照度传感器设置

在网关允许入网条件下，打开智慧家居App和彩灯App，短按光照度传感器RESET键一下，绿灯闪烁进入找网状态，当光照度传感器绿色指示灯熄灭说明入网成功，可在设备列表里面看到入网成功的光照度传感器，如图7和图8所示[8]。

使用抓包软件Ubiqu抓包，抓包流程如图9所示，入网时会上报光照度值等[9]。

抓包图片指令说明：

（1）由设备发出，请求入网，设备一般会全信道扫描找网；

（2）设备关联请求入网；

（3）设备数据请求，时长一般为60 s左右；

（4）查看到给设备分配的短地址；

（5）传输key；

（6）设备向网关广播；

（7）网关回应设备，此时设备已经入网，但网关还没有识别设备相关信息，如图10所示：

（8）网关向设备发出的节点请求，设备给网关回应的节点数，如图11所示：

（9）网关请求设备的描述符，设备回应网关描述符，如图12所示[10]：

（10）设备入网结束，并在App上显示该设备；

（11）状态变更通知；

（12）状态恢复通知；

（13）电量上报；

（14）查看光照度值。

短按光照度传感器RESET键一下，绿灯闪烁，表示光照度传感器已经退出ZigBee 网络，也可以在App上退网。

3.2.2 光照度传感器测试

当光照度传感器安装完成并入网成功后，光照度传感器就进入了工作状态，会实时地检测室内的温湿度并上报到手机，打开手机App的设备详情就可以看见上报的数据，如图13所示[11]。

3.2.3 光照度传感器联动运行

在App智能界面上添加条件为设备联动，添加的条件为光照度传感器，设置光照度值（Lux），添加的动作为需要联动的场景。先设置太暗了、太亮了2个场景，当光照度值小于50 Lux值绑定提高灯的亮度场景，光照度值大于50 Lux绑定降低灯的亮度场景，如光照度值达到设定值时触发对应绑定的场景。

（1）场景设定：在App智能初始界面上点击场景，可以对场景进行配置，如图14所示。

点击场景列表界面右上角的配置，在弹出来的界面窗口中点击场景配置，并输入管理员密码就可以进行新场景配置，如图15所示，新场景配置主要配置场景名称，这里输入的内容是根据情景的内容分析进行命名为“太暗了”，并勾选编辑设备中的彩灯，把它的开光设置为“on”，如图16所示，点击彩灯右上角进入彩灯设置，滑动底部滑条对亮度进行调配，滑动到右边把亮度调高，点击保存，如图17所示，添加新场景完成，并可在场景列表中看到刚才新添加的“太暗了”的场景[12]。

同理，添加“太亮了”的场景，并在场景列表中可以看到这2个新加进来的场景，如图18所示。

（2）场景联动：在App智能界面上添加条件为设备联动，添加的条件为光照度传感器，因此需要进入光照度传感器的“设备详情”添加智能联动，如图19所示[13]。点击智能联动进入智能联动配置，包括联动命名与触发条件和添加需要联动的场景。根据情景分析，这里设置联动任务名为“太暗了”，触发条件为光照度传感器的状态“小于”“50”，选择联动场景为“太暗了”，如图20所示。

同理，设置联动任务名为“太亮了”，触发条件为光照度传感器的状态“大于”“50”，选择联动场景为“太亮了”，如图21所示。添加完成可以在智能联动界面看到这2个联动任务的情况，如图22所示[14]。

至此，对智慧教室系统联动配置完成，当光照度值小于50 Lux值绑定提高灯的亮度场景，光照度值大于50Lux绑定降低灯的亮度场景。

3.3 智能照明系统故障检修

智能照明系统出现故障时，针对故障进行分析，初步确定所在的位置，再运用所学专业知识，软件与硬件相结合方式进行，这里主要介绍针对光照度传感器出现故障的几种情况进行检修，具体方法如表1所示：

表1 物联网光照度传感器的检修

4 结束语

光照度传感器应用于智能家居照明系统中，通过光照度传感器将环境光照信息转化为模拟电信号，再经过ADC转换成数字信号，通过I2C与ZigBee模组通信，把光照度值上传给网关、云端和用户手机App，从而实现智能家居照明系统智能化的控制，让人们的生活环境更加舒适便利。随着科技进步和智能化发展，在工农业生产、气象、环保、国防、科研等领域都需要对光照度的检测与控制，光照度传感器的应用会越来越多，越来越广[15]。