智能照明控制系统的设计与实现

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1、智能照明控制系统的设计与实现湖南工商大学 杨稳1，曾欣2，凌志友，刘小莉，胡慧超，赵新宇（ 国家级大学生创新创业训练计划支持项目（教高司函201740号）作者简介：杨稳（1996-）、男，湖南衡阳人，电子信息工程，2014级，主要从事电子信息工程方面的研究；曾欣（1998-）、女，湖南岳阳人，电子信息工程，2015级，主要从事电子信息工程方面的研究；凌志友（1997-）、女，湖南岳阳人，电子信息工程，2015级，主要从事电子信息工程方面的研究；刘小莉（1996-）、女，湖南衡阳人，电子信息工程，2015级，主要从事电子信息工程方面的研究；胡慧超（1997-）、男，湖南娄底人，电子信息工程，20

2、15级，主要从事电子信息工程方面的研究；赵新宇，（1970-），男，湖南湘潭人，副教授，博士，主要从事信号检测与处理等研究。1湖南工商大学 计算机与信息工程学院电子信息工程系，湖南 长沙410205；2湖南工商大学 计算机与信息工程学院电子信息工程系，湖南 长沙410205）（自动化应用 2018年第8期）赵新宇副教授中文摘要：智能照明控制系统是针对目前普遍存在灯光常开的电能浪费和自习室或教室不能充分利用的现象而设计的。该智能灯光控制系统将单片机控制技术、ZigBee无线通信技术以及传感器技术融合于一体。通过BISS001集成芯片处理传感器采集到的室内人体红外和光照强度信息来控制继电器开关，Z

3、igBee终端模块将照明信息传递给ZigBee协调器模块，ZigBee协调器模块通过串口与上位机通信，从而实现实时监控和记录照明使用率的功能。论述的智能照明控制系统在硬件方面主要包含传感器采集部分、数据处理部分和ZigBee无线传输部分；软件方面主要包含基于C语言编写ZigBee无线通信部分和基于C语言编程的上位机部分。该智能照明控制系统在对提高教室使用率和节能两方面效果显著，符合当今校园节能环保的要求。英文摘要：The intelligent lighting control system is designed for the common phenomenon of energy was

4、te and insufficient utilization of self-study room or classroom.The system integrates SCM control,ZigBee wireless communication and sensor technology.The BISS0001 integrated chip processes indoor human body infrared and light intensity information collected by the sensor to control the relay switch.

5、The ZigBee terminal module transmits lighting information to the ZigBee coordinator module, which communicates with the host computer through serial port, so as to realize real-time monitoring and recording of lighting utilization rate.The hardware of the system mainly includes sensor acquisition, d

6、ata processing and ZigBee wireless transmission part.The software mainly includes ZigBee wireless communication based on C language and upper computer based on C# language programming.The system has a remarkable effect on improving the utilization rate of classrooms and energy saving, which is in li

7、ne with the demand of energy saving and environmental protection in todays campus.关键词：智能照明控制；ZigBee无线通信技术；传感器技术；C语言；C语言一、引言从物联网概念的提出到应用到各个领域仅仅花了几年的时间，而随着物联网的快速发展，生活中的许多地方因此发生了巨大的改变。家居生活的智能化，物流设备的自动化等，让我们体验到物联网带来的不仅仅是科技的进步，更是一种提高生活质量和整合资源的方法。如今，随着国家经济水平的提高，人们的收入情况也变得十分可观，因此愿意投入更多的时间去学习，并让子女继续深造，由于学习的

8、人数不断增加和校园的规模不断扩大，引发了校园用电浪费，以及教室、自习室不充分利用的现象。晚上下课后，教学楼、自习室的灯光开关需要教学楼管理员手动关闭，浪费了大量的人力。目前对解决这个问题有了迫切的需求，智能照明是解决该问题的关键技术之一。二、系统构成和方案选择本系统主要采用的硬件构成是CC2530ZigBee模块、5BISS0001传感信号处理集成模块、Windows操作系统的PC端。本系统主要采用的开发环境是IAREmbeddedWorkbench操作系统开发平台、MicrosoftVisualStudio2015C#编译环境。本系统主要采用的编程语言是C语言、C#语言。该设计的系统框图如图

9、1所示。图1 系统框图三、硬件环境搭建（一）基于BISS0001模块电路图2为BISS0001内部框架图，它是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器及参考电源等构成的数模混合专用集成电路。该集成电路芯片在一些传感器控制和延时器控制器上得到广泛的应用。图2 内部框图图3所示的是可重复触发工作方式下的波形，由于本系统是实现人在灯亮的工作方式，所以不能让灯在有人的情况下熄灭，本系统使用的触发方式则是可重复触发工作方式，其工作过程可根据波形进行分析。其中与不可重复触发工作方式的主要不同在于配置引脚A的电平，当引脚A为高电平时，VC信号也为高电平时，则VS可以重复触发，使

10、得VO在延时周期内一直为有效状态，即只要在延时周期内VS发生第二次触发就可以再次刷新延迟时间，当VS保持为高电平，则VO一直保持有效状态；若VS保持低电平，则在延时周期结束后VO恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何VS的变化都不能触发VO为有效状态。图3 可重复触发工作方式波形图图3 可重复触发工作方式波形图图4是本系统的功能应用电路图。由图可以看出，运算放大器OP1将从14引脚输入的热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后从16引脚输出，并经由C3耦合，到13引脚输入到第二个运算放大器OP2，进行第二次信号的放大，并且将直流电压抬升，从OP2输出的放大信号送到由比较器CO

11、P1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号VS去启动延迟时间定时器。同时结合光照情况，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。根据光敏电阻的特性，当环境较明亮，光照强度强时，R3的电阻值会降低，使VC脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号VS，两者相结合控制有效输出信号VO。而输出信号VO经晶体管T1放大驱动继电器去接通照明灯泡。其中输出延迟时间：Tx24576R9C7；封锁时间：Ti24R10C6。图4 基于BISS0001模块电路图（二）无线传输硬件电路本系统通过ZigBee终端结点对BISS0001模块VO引脚输出电平高低情况的检测来判断照明情况4，检测到高电平则说明照明灯是开启的，而检

12、测到低电平则说明照明灯是关闭的，进一步处理该信息发送简单字符串到ZigBee机协调器5，协调器接收到字符串后，再一步对字符串处理，将消息通过串口传输的方式发送至上位机6，其电路设计如图5所示。本系统使用的四个BISS0001模块分别采集四处光照强度和热释电红外信号控制白炽灯开关，然后将四个模块的VO引脚循环采集后通过ZigBee无线传输到协调器和上位机显示并记录。图5 电路设计总图四、软件程序搭建（一）基于ZigBee无线传输程序设计程序是建立在协议栈库函数的基础上进行设计的，图6是程序流程图，程序执行中首先关中断，在完成端口和函数的初始化后，开启中断，协调器与终端相互连接完成组网7。这里的流

13、程对协调器和终端模块都适用，两者不同的地方在于设置不同的ID和处理接收到信息的模式，相同的节点模块配置不同的模式可作不同的用途，同一块节点模块既可以充当协调器，也可以充当终端，同样也可以用作路由器使用8，主要关注的是工作在OSAL主循环中需要执行的事件和事件处理函数，通过判断事件的优先级来控制事件被执行的先后顺序。这也是产品开发者需要了解和设计的部分。图 程序流程图终端：如图7的流程图，配置引脚为输入模式，定义终端模块传输ID号为0；表达了循环采集四个VO引脚的高低电平信息判断是否开灯，然后调用协议栈库函数的子函数将数据发送到最近的协调器上。当1区域、2区域、3区域、4区域的灯亮时，分别发送字

14、符串“01rn”，“02rn”，“03rn”，“04rn”，当1区域2区域3区域4区域的灯灭时，则分别发送字符串“10rn”，“20rn”，“30rn”，“40rn”。协调器：接收终端模块发送过来的信息，识别信息和相应的终端ID，接收“01rn”“02rn”“03rn”“04rn”“10rn”，“20rn”“30rn”“40rn”后，将信息向串口传输，配置串口波特率为9600，8位数据和一位停止位，最终在上位机显示。在传输的过程中发送rn是为了避免出现发送或接收的多个字符串在传输过程中合并成一个字符串的情况。在协调器事件处理部分的程序具体流程如图8所示，在初始化开启中断之后，该程序一直循环执行

15、，即不停向上位机发送信息。图7 终端事件处理流程图 图8 协调器事件处理流程图（二）上位机程序设计上位机的设计以教室四盏灯的照明为例，通过创建窗体应用程序，实现将窗体设计和代码设计相结合，分别设计上位机的外观和功能。如图9所示，通过窗体设计器设计了上位机的基本外形9。图9 上位机效果图通过按下“打开”按钮实现打开串口的功能，图10是串口功能的流程，串口打开后可以通过“消息监控区”检查接收的信息是否出错，当信息传输出错时，以此排查出问题是出在ZigBee无线传输还是上位机图。教室照明使用情况”栏实时显示四盏灯的开关情况，当对应的灯亮时，区域显示黄色并提示区域有人，当对应的灯灭时，区域显示灰色并提

16、示该区域无人。教室当日情况”栏记录的是当天该教室四盏灯的使用情况，图11是图表日历功能流程图，当只有一盏灯亮时照明使用率为25%，以此类推，两盏灯亮时照明使用率为50%，三盏灯亮时照明使用率为75%，四盏灯亮时照明使用率为100%，并通过曲线图显示。“教室使用情况历史记录”栏则记录的是教室照明的历史情况。通过日历的形式查询过去该教室的灯光照明使用率，用粗体显示的是该天教室使用率高，使用率是通过时间来计算，按照一天照明8h，四盏灯叠加时间则是32h，当叠加时间超过166060s时，即综合照明时间过半，则使当日显示加粗。图10 串口功能流程图 图11 图表日历功能流程图五、调试与分析在调试过程中，

17、针对完成的实物(如图12)进行了以下实验：图12 终端实物图实验一，首先将测试分为白天和黑夜，测试前将四个传感器模块的感光调节滑变电阻和延时滑变电阻调节至相同位置。在白天光照强度较强时，实验成员分别绕四个传感器探头一圈，结果为不能触发继电器开关，终端发送消息“10”“20”“30”“40”，上位机接收到的消息分别是“10”“20”“30”“40”，循环发送和接收，符合实验现象。然后让四位实验成员与传感器探头正对，改变实验成员和探头之间的距离，从10m距离缩小到0.5m，发现无法触发继电器开关。结果显示，光照强的环境下无法触发继电器开灯，结果和理想状况相符合。在晚上光照强度低于模块所设定的感光值

18、，作为本系统的实验重点部分，实验成员根据白天进行相同的行为，当有人分别经过传感器时，继电器依次触发，白炽灯也相应依次亮灭，终端发送消息“10”“20”“30”“40”，上位机接收到的消息分别是“10”“20”“30”“40”，循环发送和接收，上位机显示区域依次亮起。然后同样让四位实验成员与传感器探头正对，改变实验成员和探头之间的距离，从10m缩小到0.5m，发现人体距离传感器探头5m以内检测结果准确，当人体距离传感器探头58m时，传感器会出现误差，有时检测不到人体，有时则能检测到而触发继电器开关，当人体距离传感器探头8m以上，则完全感应不到人体。人体靠太近容易出现遮光现象，影响外界的实际光长强

19、度。因此结果显示，传感器的有效范围为0.55m。实验二，改变延时可变电阻，从最小值旋转至最大值，阻值大小由0变至200k，记录人体触发继电器开关离开探测区后的延迟时间，结果显示延迟时间可变范围是16300s。而后进行重复触发实验，让实验成员在触发继电器后离开可测范围扩大到10m以外，等待10s后迅速回到传感器可测范围内，发现白炽灯一直处于亮的状态，实验结果表明延迟时间可调，传感器模块处于可重复出发的模式。实验三，改变ZigBee终端和协调器的距离，将实验成员分为两组，一组携带协调器和PC上位机逐渐远离终端节点，另一组则做来回触发四个传感器的行为。结果显示，两节点之间在空旷地区距离超出80m后无

20、法接收到发送出来的信息，在有墙壁隔绝的情况下，有效距离在30m以内。最终实验结果与理论相符合，有效距离和延迟时间符合实际情况，误差范围较小，无线传输距离较短，但是可以通过扩展节点解决此项问题;调试过程中发现传输速率为1s，因此产生4s的延时，在更改为50ms后，提高了传输速率，也依然保持了传输的稳定性能。上位机能实时显示和记录照明使用情况，对在其他极端环境下可能出现受各种热源光源干扰，被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不被探头接收，受射频辐射的干扰，环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时会造成短时失灵等系列问题。需要在更多实验中发现，根据问题来优化程序和电路设计。六、结

21、语智能照明控制系统是实现校园内照明自动控制和提高学校教室或自习室使用率的功能。该系统功能的实现能大大减少不必要的人力和时间上的浪费，为学生提供良好的学习环境，使学生能够全身心地投入学习10，达到了很好的节能效果。同学们从上位机公共平台很快就能找到空教室学习和自习，教学楼管理员不用再到每一间教室进行查看并手动关电源开关，同时不会在出现“长明灯”这种浪费电能的现象。总体而言，该系统功能的实现具有一定的实用性和现实意义。参考文献：1胡金洋.基于ZigBee的嵌入式智能家居远程监控系统设计D.咸阳：西北农林科技大学，2017.2谭志强，杨俊杰，楼志斌，等.基于ZigBeeLightLink的楼宇照明系

22、统设计J.现代电子技术，2016，39(19)：1-5.3潘子辉，沈苏彬，吴振宇.一种基于ZigBee的智能家居自动服务提供方法J.计算机技术与发展，2018，28(1)：200-204.4陆睿.基于ZigBee的智能家居控制系统研究D.南京：南京邮电大学，2017.5阮家健.解读ZigBee技术的短距离无线数据传输系统J.通讯世界，2017(10)：99-100.6何勉.基于嵌入式Web和ZigBee技术的智能家居系统设计与实现D.西安：西安科技大学，2017.7王飞，程建平，瞿少成.基于ZigBee路由算法的智能小区系统设计与实现J.电子测量技术，2017，40(1)：6-11.8郑亚伟，陈曦冉.基于ZigBee技术的无线遥控照明系统J.电脑知识与技术，2017，13(35)：261-262.9于合龙，丁民权，黄浦，等.基于ZigBee网络的人参生长监测及病害预警J.吉林农业大学学报，2017，39(1)：120-126.10吴蜜.物联网技术应用与智慧校园建设的研究与实现J.信息系统工程，2016(10)：149.