張 華， 陳 星， 李 松

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

網(wǎng)絡(luò)化智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 華， 陳 星， 李 松

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

針對(duì)傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)存在通信距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率慢、誤碼率高、可靠性差等問(wèn)題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的智能照明控制系統(tǒng)，并對(duì)其感知層各傳感器電路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括照度測(cè)量電路、溫度測(cè)量電路、人體檢測(cè)電路、CAN總線(xiàn)通信接口電路等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)房間環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明達(dá)到了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，能夠滿(mǎn)足智能照明控制系統(tǒng)的要求。

智能照明；單片機(jī)；CAN總線(xiàn)；光敏電阻；熱釋電傳感器

0 引言

目前，嵌入式、計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展迅速。物聯(lián)網(wǎng)作為這些技術(shù)的綜合運(yùn)用，會(huì)使人們的生活變得更加方便、快捷和舒適[1]。而作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中的重要組成部分，智能家居中的照明控制系統(tǒng)也需要進(jìn)行技術(shù)的更新?lián)Q代和升級(jí)。一般而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的智能照明系統(tǒng)由三部分組成：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[2]。本文對(duì)其中的感知層進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用各種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的各種參數(shù)，并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳送給應(yīng)用層，這樣便可以通過(guò)應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析來(lái)獲得感知層的工作環(huán)境并進(jìn)行調(diào)節(jié)。基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化智能照明控制系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 總體方案設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化智能照明控制系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、嵌入式Ethernet-CAN互聯(lián)網(wǎng)關(guān)以及各房間節(jié)點(diǎn)三部分組成。如圖1所示，各個(gè)房間的不同位置安裝有各種傳感器，這些傳感器把數(shù)據(jù)測(cè)量到以后送給單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器把獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以后按照設(shè)計(jì)的CAN應(yīng)用層進(jìn)行組幀，然后利用CAN總線(xiàn)控制器形成CAN包，通過(guò)CAN總線(xiàn)收發(fā)器發(fā)送到控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線(xiàn)上。CAN總線(xiàn)會(huì)對(duì)各房間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行巡檢和查詢(xún)，當(dāng)從監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令需要某個(gè)房間節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)或者某個(gè)房間節(jié)點(diǎn)需要主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)時(shí)，房間節(jié)點(diǎn)便可以將CAN包發(fā)送到嵌入式Ethernet-CAN互聯(lián)網(wǎng)關(guān)?；ヂ?lián)網(wǎng)關(guān)接收到CAN數(shù)據(jù)包以后首先對(duì)它進(jìn)行拆包，提取出其中的CAN應(yīng)用層數(shù)據(jù)，然后將這些有用的數(shù)據(jù)添加TCP傳輸層和IP網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)組合成為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，便可以發(fā)送到以太網(wǎng)上。各房間節(jié)點(diǎn)發(fā)送到CAN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)通過(guò)嵌入式Ethernet-CAN互聯(lián)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換之后發(fā)送到以太網(wǎng)上，繼而傳送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)[3]。同樣，操作人員可以根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)來(lái)判斷各個(gè)房間的情況，從而做出判斷并發(fā)送數(shù)據(jù)以執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送給嵌入式Ethernet-CAN互聯(lián)網(wǎng)關(guān)，與此同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN包并發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。各房間節(jié)點(diǎn)CAN控制器便可以獲取與自己標(biāo)識(shí)符相同的數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行解析以便獲得具體需要執(zhí)行的數(shù)據(jù)。各房間節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)根據(jù)解析出的數(shù)據(jù)來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，繼而控制各房間的照明系統(tǒng)，這樣便完成了監(jiān)控計(jì)算機(jī)所發(fā)送數(shù)據(jù)所需完成的任務(wù)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化智能照明系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of networked intelligent lighting system

2 各房間節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

每個(gè)房間節(jié)點(diǎn)的總體框圖如圖2所示。其中單片機(jī)采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2型號(hào)單片機(jī)，此系列單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，具有60K的Flash程序存儲(chǔ)器和1280字節(jié)的SRAM，并且具有雙串口。各房間節(jié)點(diǎn)利用此款單片機(jī)作為微控制器來(lái)控制各傳感器以及CAN接口等模塊。

圖2 各房間節(jié)點(diǎn)電路框圖Fig.2 Diagram of the circuit in each room

2.1 照度傳感器電路

在現(xiàn)代化的生活當(dāng)中，照明系統(tǒng)無(wú)處不在。人們?cè)谙硎苷彰鲙Ыo人們舒適便捷生活的同時(shí)，卻存在著電力浪費(fèi)的問(wèn)題，存在著白天光線(xiàn)好的時(shí)候不關(guān)燈、人走忘記關(guān)燈等問(wèn)題，尤其是國(guó)家現(xiàn)在大力提倡節(jié)能減排、勤儉節(jié)約，就使得這個(gè)問(wèn)題更加突出。為此設(shè)計(jì)了一種照度傳感器電路，此電路可以檢測(cè)出周?chē)h(huán)境中光的照度，也就是燈光亮暗的程度。如圖3所示，其中N1為光敏電阻，將其一端與地相連，另一端通過(guò)10K電阻與電源5V相連。光敏電阻的工作原理是內(nèi)光電效應(yīng)，其電阻的阻值會(huì)隨著不同的光照而發(fā)生變化。當(dāng)外界環(huán)境光照變強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值會(huì)變小，由于R14的阻值不變，所以R14和N1的總阻值會(huì)變小。由于加載在這兩個(gè)電阻上的總電壓恒為5V，所以隨著總電阻的變小流過(guò)兩個(gè)電阻的電流會(huì)變大，則R14兩端的電壓會(huì)變大。由于電阻的分壓作用，N1兩端的電壓會(huì)變小，即光敏電阻AC端電壓會(huì)變?。环粗?dāng)外界環(huán)境光照變?nèi)鯐r(shí)，光敏電阻阻值較大，則AC點(diǎn)電壓會(huì)變大。此電壓的改變值為連續(xù)變化的模擬量，將它與單片機(jī)的一路A/ D轉(zhuǎn)換接口相連，便可以將此模擬量測(cè)量出來(lái)。需要注意的是，光敏電阻的阻值變化范圍需與分壓電阻R14相匹配，若光敏電阻的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或小于分壓電阻的阻值，則光敏電阻一端測(cè)量的電壓不會(huì)隨著照度的變化而有太大的變化，便不能測(cè)量出環(huán)境中的亮度和光強(qiáng)了。此處光敏電阻的變化范圍為4～20K。將測(cè)量得到的模擬電壓變化值輸入單片機(jī)的同時(shí)，也可將此模擬電壓輸入電壓比較器，從而獲得一個(gè)數(shù)字量的輸出。如圖3所示，LM393為雙電壓比較器，其中1腳是比較結(jié)果輸出，通過(guò)上拉電阻R17與5V電源相連，2腳和3腳是輸入比較的兩個(gè)電壓值。將光敏電阻一端的電壓AC輸入LM393的第三引腳，另外一個(gè)用來(lái)做參照的電壓IN輸入LM393的第二引腳。當(dāng)AC＞IN時(shí)，LM393第一引腳輸出的 OUT就會(huì)是高電平 1，當(dāng) AC＜IN時(shí)，則LM393第一引腳輸出的OUT就會(huì)是低電平0，這樣便可以獲得周?chē)h(huán)境照度的一個(gè)數(shù)字量。其中D6為指示燈，R16為限流電阻。當(dāng)LM393第一引腳輸出的OUT為1，則指示燈D6不亮，若輸出為0則D6點(diǎn)亮，這樣就可以通過(guò)指示燈直觀(guān)地知道周?chē)h(huán)境中的照度相對(duì)于一個(gè)設(shè)定閾值的大小，也可以將此信號(hào)用作簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)。其中用作閾值的參考電壓IN可以通過(guò)可調(diào)電阻R18加以調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足周?chē)h(huán)境對(duì)亮度和光強(qiáng)的實(shí)際需求。因?yàn)闇y(cè)量得到的AC是模擬量，而單片機(jī)控制的是數(shù)字量，所以需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換是模擬信號(hào)經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的過(guò)程。照度傳感器所采集到的信號(hào)AC輸入單片機(jī)的第41引腳。此引腳為單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口之一ADC1。STC12C5A60S2單片機(jī)共有8路10位的高速A/D轉(zhuǎn)換器，其A/D轉(zhuǎn)換端口在單片機(jī)的P1口，其轉(zhuǎn)換速度最高可以達(dá)到250KHz。

2.2 溫度傳感器電路

圖3 照度傳感器電路圖Fig.3 Circuit diagram of the iluuminance sensor

溫度傳感器可以測(cè)量周?chē)h(huán)境中的溫度，當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)可以發(fā)出報(bào)警，以利于控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境中的空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而獲得使人體舒適的溫度。此處溫度傳感器選用DS18B20芯片，如圖4中的U5所示，它僅有三個(gè)引腳：1引腳與地相連；2引腳通過(guò)上拉電阻與5V電源相連，并且與單片機(jī)的引腳相連，將測(cè)得的溫度傳給單片機(jī)；3引腳與5V電源相連。此溫度傳感器體積小巧，電路簡(jiǎn)單，是一線(xiàn)式溫度傳感器。即使3腳不接電源，2腳也可以從單片機(jī)攝取能量給自己供電。而且芯片可支持的電壓范圍為3V～5.5V，既可以用在傳統(tǒng)的5V供電的單片機(jī)上，也可以用在功能更加強(qiáng)大的以3.3V供電的ARM上。DS18B20測(cè)量溫度范圍廣泛。同時(shí)該芯片可以通過(guò)編程使其達(dá)到測(cè)量溫度的不同的分辨率，可編程分辨率的分辨位數(shù)為9～12位，位數(shù)越高，可分辨的最小溫度越小。DS18B20內(nèi)部ROM中有光刻的64位序列號(hào),是出廠(chǎng)前就被刻好的，它可以認(rèn)為是該DS18B20的地址序列碼，就像是給每一芯片都做可一個(gè)標(biāo)識(shí)符，那么在需要一根總線(xiàn)上需要掛接多個(gè)DS18B20的時(shí)候就可以通過(guò)標(biāo)識(shí)符知道哪個(gè)溫度數(shù)據(jù)是哪個(gè)溫度傳感器發(fā)送的，而且可以降低成本。在使用DS18B20時(shí)是通過(guò)配置其暫存寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，DS18B20暫存寄存器分布主要有：溫度值低位、溫度值高位、高溫限值、低溫限值、配置寄存器。其中溫度值高位和低位是用來(lái)發(fā)送指令和采集數(shù)據(jù)的，高溫限值和低溫限值是用來(lái)設(shè)置可測(cè)量的最高溫度和最低溫度的，當(dāng)環(huán)境中的溫度高于高溫限值或者低于低溫限值時(shí)會(huì)發(fā)生報(bào)警。配置寄存器可以設(shè)置DS18B20的工作模式和分辨率。DS18B20內(nèi)部有EEPROM，設(shè)置的分辨率及報(bào)警溫度都存儲(chǔ)在這里面，即使掉電了數(shù)據(jù)依然保存在里面。此芯片還有一個(gè)負(fù)壓特性，即當(dāng)它的電源極性接反時(shí)不會(huì)因?yàn)榇罅康陌l(fā)熱而燒毀。

圖4 溫度傳感器電路圖Fig.4 Circuit diagram of the temperature sensor

2.3 熱釋電紅外傳感器電路

熱釋電紅外傳感器電路如圖5所示。U7便是熱釋電紅外傳感器RE200B。該傳感器采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測(cè)紅外輻射，采用雙靈敏元互補(bǔ)方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。因?yàn)槿梭w的熱量所散發(fā)出的紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)是 9～10μm，而此傳感器的工作波長(zhǎng)是7～14μm，正好可以檢測(cè)出人體的紅外線(xiàn)，從而可以確定是否有人的存在。由傳感器的封裝可以看見(jiàn)傳感器的表面有一塊透明的玻璃，這塊玻璃的作用就是濾除掉人體以外的波長(zhǎng)，從而排除干擾，更好的實(shí)現(xiàn)傳感器的作用。RE200B對(duì)垂直于其表面玻璃長(zhǎng)邊的信號(hào)比較敏感，所以在安裝的時(shí)候最好把傳感器的玻璃長(zhǎng)邊平行于上門(mén)框，從而人進(jìn)人出的時(shí)候傳感器就可以收到更加靈敏的信號(hào)。為了增加傳感器的測(cè)量距離和范圍，可以在傳感器外套置一個(gè)涅菲爾透鏡，此透鏡可以改善傳感器測(cè)量的角度和距離。傳感器測(cè)量到的信號(hào)是非常微弱的，需要后續(xù)的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理。信號(hào)調(diào)理電路核心芯片選擇BISS0001，它可以把熱釋電紅外傳感器的信號(hào)處理為單片機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)。

圖5 熱釋電傳感器電路圖Fig.5 Circuit diagram of the pyroelectric sensor

2.4 CAN總線(xiàn)電路

CAN總線(xiàn)硬件電路主要由CAN總線(xiàn)控制器SJA1000和CAN總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250組成。SJA1000可以支持不同的微處理器接口，并且可以處理CAN總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)[4]。PCA82C250是CAN總線(xiàn)收發(fā)器，它的作用就是把CAN總線(xiàn)控制器SJA1000發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉螩AN總線(xiàn)物理層標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，并進(jìn)行放大、傳輸?shù)娇偩€(xiàn)上；并且將從總線(xiàn)上接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镃AN總線(xiàn)控制器所能識(shí)別的電平信號(hào)[5]。各房間節(jié)點(diǎn)的微控制器通過(guò)各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)便可通過(guò)此控制器和收發(fā)器傳送到CAN總線(xiàn)上，繼而通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。與此同時(shí)各監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令數(shù)據(jù)也可通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到CAN總線(xiàn)上，繼而通過(guò)此發(fā)送器和控制器傳送給各微控制器，從而控制繼電器的閉合。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，各房間節(jié)點(diǎn)硬件工作正常，傳感器可以測(cè)量環(huán)境中的溫度、照度的數(shù)據(jù)以及進(jìn)行人體檢測(cè)。所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確快速的通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳遞給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時(shí)各房間節(jié)點(diǎn)電路可以實(shí)時(shí)執(zhí)行監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的命令，繼而控制照明系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)化智能照明控制系統(tǒng)，若對(duì)其功能加以完善，則可以在實(shí)際生活加以推廣應(yīng)用，具有很大的潛力。

[1]郭冉.物聯(lián)網(wǎng)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究[D].湖南:湖南大學(xué)，2011.

[2]朱齊丹，孫磊.基于CAN總線(xiàn)智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用科技，2008，12.

[3]孫晶.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工廠(chǎng)智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].四川：成都理工大學(xué)，2012.

[4]李春光.嵌入式Ethernet/CAN網(wǎng)關(guān)接口設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)[J].嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，2008，62.

[5]饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

Design of Networked Intelligent Lighting Control System

ZHANG Hua，CHEN Xing，LI Song
(School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China)

This paper proposes an intelligent lighting control system based on networking technical Ar-chitecture to solve the problem of short communication distance,low data transfer rate,high error rateand poor reliability of the traditional lighting control system.And it carries out a detailed description of each sensor circuit,including the iluuminance measurement circuit,temperature measurement circuit,human detection circuit,CAN bus communication interface circuit and so on.The sensor circuits can detect the environmental parameters in each room.And the experimental results show that the design has achieved the targets to meet the requirements of intelligent lighting control system.

intelligent lighting；MCU；CAN bus；photoresistor；pyroelectric sensor

TP29

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.053

1002－6673（2014）03－139－03

2014－03－18

張華(1987-)，男，湖北隨州人，在讀碩士研究生。研究方向：機(jī)電控制；陳星（1963-），男，遼寧大連人，副教授。研究方向：嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。已發(fā)表論文多篇。