智能照明控制系统的设计与实现.doc

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智能照明控制系统的设计与实现
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BISS0001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，ZigBee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。本文所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诉求。
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
0 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[1]。如今，随着国家经济水平的提高，人们的收入水平也变得十分可观，因此自己愿意投入更多的时间去学习，并且愿意让子女继续深造，由于学习的人数不断增加和校园的规模不断扩大，引发了校园电量浪费和教室/自习室不充分利用的现象[2]。晚上自习学习完成后，在教学楼/自习室的灯光开关需要教学楼管理员手动关闭，浪费了大量的人力资源和时间[3]。目前对于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。
1 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、BISS0001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：IAR Embedded Workbench操作系统开发平台、Microsoft Visual Studio 2015C＃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1所示。
人体红外信号
光照强度信号
BISS0001处理芯片
CC2530ZigBee终端
无线传输
CC2530ZigBee协调器
串口传输
PC端上位机
图1 系统框图

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2 硬件环境搭建
2.1基于BISS0001模块电路
如图2所示是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。以下图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时时间，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2 内部框图
图3 可重复触发工作方式波形图
如图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COP1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：Tx≈24576*R9*C7；封锁时间：Ti≈24*R10*C6。
图4 基于BISS0001模块电路图
2.2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。本系统使用的了四个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引脚循环采集后进行通过ZigBee无线传输到协调器和上位机进行显示并记录。
图5 电路设计总图
3 软件程序搭建
3.1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，如图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，然后开启中断，协调器与终端相互连接完成组网[7]。这里的流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。
N
Y
Y
N
N
是否结束？
调用事件处理函数
优先级高？
事件发生？
OSAL主循环
设置timer
开中断
初始化端口
初始化函数
关中断
开始
Y
图6 程序流程图
终端：如图7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，分别发送字符串“01\r\n”，“02\r\n”，“03\r\n”，“04\r\n”，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“10\r\n”，“20\r\n”，“30\r\n”，“40\r\n”。
Y
N
结束
处理中断，发送消息
是否开中断？
使能定时器
开始
IO端口初始化设置
图7 终端事件处理流程图
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“01\r\n”“02\r\n”“03\r\n”“04\r\n”“10\r\n”“20\r\n”“30\r\n”“40\r\n”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\r\n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，在初始化开启中断之后，该程序一直循环执行，即不停向上位机发送信息。
Y
N
结束
处理中断，接收并发送消息
是否开中断？
使能定时器
开始
图8 协调器事件处理流程图
3.2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，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的历史情况，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%，并通过曲线图表显示。
“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8小时，四盏灯叠加时间则是32小时，当叠加时间超过16*60*60秒，即综合照明时间过半，则使当日显示加粗。
N
Y
结束
归零处理，修改日历控件

计时超出1天？

按秒计时统计显示

开始
Chart初始化

N
Y
结束
处理消息，修改控件
是否有消息？
打开串口
开始
串口初始化设置
图10 串口功能流程图 图11 图表日历功能流程图

4 调试与分析
在调试过程中，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10米距离缩小到0.5米，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，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“01”“02”“03”“04”，上位机接收到消息分别是“01”“02”“03”“04”，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10米距离缩小到0.5米，发现人体距离传感器探头5米以内检测结果准确，当人体距离传感器探头5-8米，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8米以上，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度。因此经结果显示，传感器的有效范围为0.5米到5米之内。
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200千欧姆，记录人体触发继电器开关离开探测区后的延时时间，结果显示延时时间可变范围从16秒至300秒。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到10米以外，等待10秒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，实验结果表明延时时间可调，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，将实验成员分为两部分，一部分携带协调器和PC上位机逐渐远离终端节点，另一部分则做来回触发四个传感器的行为。根据结果显示，两节点之间在空旷地区距离超出80米远后无法接收到发送出来的信息，有墙壁隔绝的情况下，有效距离在30米以内。
最终实验结果与理论相符合，有效距离和延时时间符合实际情况，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1秒，因此产生4秒的延时，在更改为50毫秒后，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，对于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。
5 结语
智能照明控制系统是实现了校园内照明的自动控制和提高学校教室或自习室的使用率的功能，该系统的实现不仅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]，而且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件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，该系统的实现具有一定的实用性和现实意义。
参考文献
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