基于数字化技术智能照明系统研究

豪尔赛科技集团股份有限公司 刘锡超 杨 雨

当前，随着网络和通信技术的飞速发展，以及数字化智能化水平的不断提升，照明系统作为智能化组成的重要部分，受到了众多智能化企业的高度重视。智能照明系统是利用先进电磁调压及电子感应技术，对供电进行实时监控与跟踪，自动平滑地调节电路的电压和电流幅度，改善照明电路中不平衡负荷所带来的额外功耗，提高功率因素，降低灯具和线路的工作温度，达到优化供电目的照明控制系统。

在IBM、西门子（Siemens）、微软（Microsoft）、松下（Panasonic）等全球知名大型企业的推动下，智能照明系统的发展呈现出迅猛的势头。我国作为全球照明电器加工制造和出口的大国，同时也是一个庞大的消费市场，智能照明产品在这样的宏观环境下拥有广阔的应用前景[1-2]。

随着科技进步和核心技术的持续突破，智能照明系统在基础设施建设中的应用也日益广泛。综合分析来看，我国智能照明系统面临着广阔的发展机遇。当前，随着我国经济的持续增长和电力资源的日益紧张，智能照明系统凭借其节能高效的材料优势和较长的使用寿命，成为解决能源紧张问题的有效途径之一[3-4]。智能照明系统的研究不仅能够实现照明效果的个性化、智能化调控，还能够大幅度降低能源消耗，对于推动绿色低碳生活方式具有重要意义。

1 系统总体架构设计

智能照明系统的总体方案如图1所示，其主要部分由ZigBee 终端以及ZigBee 协调器两个部分组成，下图的左边部分为ZigBee 终端，包括人体红外传感器，LED 灯，右半部分为ZigBee 协调器，包括指示灯和按键，以及显示屏幕。二者之间利用ZigBee 无线通信[5]。

图1 系统方案框架图

1.1 硬件设计

本文设计的系统总电路图采用软件Altium Designer10绘制而成，采用分模块绘制方式，最终连接成整体仿真电路。该系统主要包括面板的输入电路、光照度检测电路、输出电路、调光电路和显示电路。本文主要介绍了智能照明系统的硬件部分，包括系统总体电路图、5V 电源输入电路、AMS1117-3V3稳压电路、光照检测电路、ZigBee 核心板CC2530、三极管驱动LED 电路、OLED12864屏幕电路、人体红外传感器电路、功能按键电路、UART 调试串口电路以及CCDEBUG 下载接口。

1.2 输入电路

计算机USB 接口为5V 输入，分别设计两个滤波与蓄能的电容，可以起到稳定电源的作用；设计一个电源指示灯，当电源接通后指示灯常亮；此外，采用一个10kΩ 的电阻能起到限流的作用，通过指示灯的电流为0.5mA，二极管采用1N5819型，其通过电流上限为1A，该二极管可以保护电路。

1.3 电源稳压电路

稳压芯片型号为AMS1117-3V3，其输入端为电脑USB 输入的5V 电压，输出稳定的3.3V 电压供CC2530芯片使用，输入、输出端的电容为104，即0.1uF，作用是稳压和抗干扰，电容不消耗能量，但电路中的电容有一定的电阻，会消耗一小部分能量，但其储能的作用远大于耗能。

1.4 光照度检测电路

光敏电阻内部的光电效应和电极无关，可以使用直流电源，环氧树脂胶封装还具有可靠性好、体积小、灵敏度高、反应速度快、光谱特性好等诸多优点。对于光敏电阻而言，光敏电阻随光线变化阻值会发生变化。当光敏电阻和一个10kΩ 电阻串联，检测到的ADC 值就是光敏电阻的分压值，如果光线暗，光敏的阻值大，分压就大，这样测得的ADC值比较大，反过来测到的ADC 值就比较小。

1.5 调光电路

该系统的调光功能主要靠LED 灯实现，电路由LED、NPN 型三极管以及一个1kΩ 的电阻构成，三极管采用SS8050型，其可通过的最大电流为1A，足够LED 灯使用，当三极管集电结反偏，发射结正偏时电路导通，当三极管的集电极是高电平时，发射极是低电平时，如果基极是高电平，那么集电极与发射极导通，LED 灯点亮，否则截止，LED 灯熄灭。因此，当需要点灯的时候在基级施加高电平，当需要熄灭灯的时候给基级施加低电平即可。电阻可以用来保护基级，防止三极管损坏。将调光电路接在CC2530芯片的P1.1接口，使用PWM 技术输出脉冲宽度可以调的PWM 波，来调节灯光的亮度。

1.6 显示电路

OLED 显示是一种新型的显示技术，能够实时显示出所需要的信息，OLED12864屏幕是128×64行点阵的OLED 单色、字符、图形显示模块。模块内具有64×64显示数据RAM，本系统使用该屏幕显示检测到的光照强度、灯光等级以及自动或者手动模式，使检测到的实时物理数据更直观，更加方便使用者观察。

1.7 人体红外传感器电路

传感器的正常工作电压在2.8～5.5V，因为CC2530芯片的电压选择的是3.3V，所以给该传感器同样接3.3V 电压，使二者高低电平保持一致，通过对其高低电平的读取来判断感知范围内的人员情况，若有人，则传感器输出高电平；若无人，则输出低电平。

2 软件设计

2.1 下位机软件设计

下位机的软件设计共分为两部分，分别是ZigBee 发射端与ZigBee 接收端，实际上二者都是收发一体的。

首先进行ZigBee 协调器的设计分析，程序设计如图2所示，其主要的功能是控制终端上LED 的相关参数与模式，按键则实现键值的发送。协调器上电后首先进行硬件初始化，包括GPIO、UART、TIMER、zstack 协议栈的初始化。然后判断按键是否被按下，若按键被按下，那么发送对应的键值给终端，发送成功后终端对该命令进行执行，若按键没有被按下，则等待操作这一过程以此循环，实现ZigBee 协调器的无线控制功能[6]。

图2 ZigBee 协调器流程图

本次设计的智能照明系统的同时可以使用上位机控制，上位机采用UART 串口通信，通过串口将上位机的指令下发协调器，协调器将指令转换为对应的键值发送给终端，在使用上位机操作时，具体流程如下：先给协调器上电并进行硬件初始化，若收到串口命令，则先对该命令进行判断，判断其是否为控制命令，若是，则无线转发控制命令，若没有收到串口命令，则判断同步时间，若同步时间到，把同步数据传到上位机，然后把同步时间再复位。如果同步时间没到，检测是否收到无线数据，如果收到，缓存数据，上报上位机。如此则实现了上位机控制ZigBee 协调器的功能[7-8]。

对ZigBee 终端进行设计分析，程序设计如图3所示，首先给终端上电，ZigBee 终端与ZigBee 协调器进行组网，组网成功后首先进行ZigBee 协议栈初始化、UART 初始化、GPIO 初始化、PWM初始化以及TIMER 初始化，初始化完成之后判断是否接收到无线数据，如果收到协调器命令则判断命令是模式切换命令还是开关灯命令，若是模式切换命令，则在手动和自动模式之间进行切换；若是开关灯命令，则在开灯与关灯之间切换。若没有收到无线数据，判断当前模式是否为自动模式，若不是，则上报数据至协调器；若是，则获取光线值和人体感应值，在有人和光线昏暗的情况下，执行LED 调光，在无人或者获取的光线值为亮的情况下不开灯。

图3 ZigBee 终端节点程序流程图

2.2 上位机软件设计

上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，与下位机不同，下位机使用的是C 语言编写的面向流程的程序，而上位机使用的是C++语言，是面向对象的。上位机流程图如图4所示。

图4 上位机程序流程图

3 结论

ZigBee 技术可以实现无线控制的功能，根据需求分析设计，本系统具有光照强度检测、显示、处理和多重模式选择的功能，实现对照明系统的实时数据采集，并将光照强度等物理信息数字化显示，该系统有自动和手动模式两种模式，自动模式中，灯光将根据系统检测到的光照强度实现自动开关灯，利用人体红外传感器判断范围内是否有人，若有人且光照强度较低时，将自动开灯；若无人或者光照强度较高时，将自动关灯，且灯光共分为5个等级，级别越高，灯光越亮。手动模式中，可以通过按钮调节灯光的亮灭以及亮度等级，从而使其设计更加人性化。