王華杰，鄭來芳

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原 030008）

高校圖書館成為了學(xué)生們最喜愛的學(xué)習(xí)場所，也是使用最頻繁、人員聚集數(shù)量最大，能源需求極高的場所。能源的枯竭，要在設(shè)計中考慮到，利用自然光照與人工照明高效的結(jié)合，是節(jié)能的重要方法之一。[1]當(dāng)圖書館內(nèi)的師生們處于一個合理且舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，那樣不僅僅對人們的視力起到保護作用，而且會延長其注意力集中的時間，以提高學(xué)習(xí)者的效率。所以，在圖書館的傳統(tǒng)照明的設(shè)計理念中，加入互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，使得圖書館照明系統(tǒng)變得更加節(jié)能、舒適、靈活，進而滿足人們的光照要求并對人們產(chǎn)生積極影響，這一技術(shù)的實現(xiàn)無疑是有一定的積極影響和現(xiàn)實意義[2]。

隨著網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率變的更廣泛、通訊方式的速度越來越快，輕松地實現(xiàn)了遠程控制，此類系統(tǒng)迅速出現(xiàn)在市場之中，其可靠性高、功耗低等方面比較受到用戶的青睞，本文提出了一種以單片機為主控制模塊，將光敏元件、聲控元件接收的數(shù)據(jù)傳送到主機，主機將發(fā)指令來控制燈的開關(guān)和亮滅，還可以設(shè)置時間來控制所有的燈關(guān)掉，還可以通過手機app 發(fā)送指令經(jīng)WiFi 模塊到主機來遠程控制燈的亮滅，用戶可以更及時、更快捷地實現(xiàn)所有燈的亮滅，滿足了圖書館的大面積關(guān)燈不需要耗費大量人力的需求。

1 智能照明系統(tǒng)的整體構(gòu)架

就某一高校圖書館作息時間安排設(shè)計該智能照明系統(tǒng)。對圖書館照明控制系統(tǒng)設(shè)計中，在圖書館內(nèi)不同的區(qū)域?qū)φ彰鞑煌枨筮M行了區(qū)域劃分；針對圖書館各區(qū)域功能的不同，需要設(shè)計不同的照明功能，因此需要對圖書館內(nèi)不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同的控制效果，燈具區(qū)域分布如圖1 所示，其中A、B、C、D 為學(xué)習(xí)區(qū)域，學(xué)生主要在該區(qū)域?qū)W習(xí)讀書，E為樓道、大廳等公共區(qū)域，F(xiàn) 為樓梯區(qū)域；系統(tǒng)針對光照環(huán)境的變化自動調(diào)節(jié)達到舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，此系統(tǒng)也可人為遠程控制，并且實現(xiàn)了方便、簡易操作。

圖1 照明區(qū)域分布圖

為滿足上述要求且根據(jù)日從東方而出西方而落的自然規(guī)律，為了避免不必要的能源浪費，本文設(shè)定冬天并且是晴天的照明規(guī)律為上午7 點至8 點A、B、C、D、E 五個區(qū)域燈全部照亮；當(dāng)8 點至9 點這個時間段時，太陽已經(jīng)開始照亮B 這片區(qū)域，此時B、E 區(qū)域燈自動關(guān)閉，A、C、D 區(qū)域繼續(xù)實現(xiàn)照明功能；8：30點至16：30 之間自然光照充足；當(dāng)?shù)搅?6:30～17:30時，B、C、D 區(qū)域開始照明工作；17.30～22:00 時，A、B、C、D、E、F 所有照明燈具進行工作，其中F 區(qū)域燈具需要聲音控制才能工作，且所有燈亮度隨環(huán)境自動調(diào)節(jié)，以達到舒適的照明環(huán)境。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況，例如陰天，需要人為操控時，此時只需要通過手機APP輸入指令就可控制所有燈具，并可調(diào)節(jié)燈具亮度達到需要的照明程度。正常來說在22點就應(yīng)該關(guān)閉圖書館，但是由于傳統(tǒng)照明開關(guān)多遍布位置不同，需要管理人員四處走動才能關(guān)閉所有燈具，為了方便管理，只需要在手機APP 上輸入一條指令即可關(guān)閉所有燈具，如此操作簡單方便，節(jié)約時間。其系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本設(shè)計以STC89C52RC 單片機作為核心處理模塊，STC89C52RC 是由宏晶公司采用Flash 存儲器技術(shù)制造的完全兼容了MCS-51，具有高密度且非易失的特點，在單個芯片中將多功能8位CPU 和閃爍存儲器組合，正是因為這些特點使得可以很快被中國廣大用戶接受[3]。此系列的單片機的程序可擦寫特性，用戶在系統(tǒng)開發(fā)與試驗上都較容易，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種性價比很高的方案。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路、電源電路等組成。

2.2 光敏傳感器模塊

傳感器是一種測量元件或設(shè)備的工具，它可以將需要測量的量轉(zhuǎn)換成有一定精度的特定的物理量。傳感器的特點是具有高性能和高精度內(nèi)部參數(shù)。大多數(shù)傳感器組成如圖3所示。

圖3 傳感器組成框圖

光敏傳感器通俗的講就是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?。為了實現(xiàn)保護人們視力的同時營造一個舒適的光照環(huán)境，本系統(tǒng)采用光敏電阻實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)光照強度的功能，光敏電阻在不同的光照強度的條件下，電阻值變化比較大，系統(tǒng)根據(jù)阻值的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流變化[4]。通過模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，將光帶來的電流變化的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸給單片機并進行相應(yīng)控制。其電路圖連接如圖4所示。

圖4 光敏傳感電路圖

2.3 Wi-Fi模塊

ESP8266 是有一套完整的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)功能，其低功耗、緊湊的設(shè)計以及其高穩(wěn)定性可以最大限度的滿足用戶需求[5]。E103-W01 是有超高性價比的串口轉(zhuǎn)Wi-Fi 模塊，該模塊具有模塊與模塊通信、模塊與Server通信以及模塊與Client通信的三種使用方法[6]。本系統(tǒng)通過無線路由器連接到網(wǎng)絡(luò)，建立TCP或UDP Server 偵聽連接信號，實現(xiàn)了通過連接模塊服務(wù)器與之通信。

2.4 實時時鐘模塊

在現(xiàn)代的電子設(shè)備之中，實時時鐘電路在目前的電子設(shè)計領(lǐng)域中是不可缺少的。實時時鐘模塊可以實現(xiàn)精確計時。時鐘電路還有相應(yīng)的電源管理的功能，可以實現(xiàn)如果主電源切斷的情況與可以與備用電源進行無縫切換，這樣可以保證了該電路的時間的準(zhǔn)確性；當(dāng)主電源在正常供電的時候，還能為備用電源充電，確保該電路的可靠性。該時鐘為智能照明系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的北京時間來實現(xiàn)智能時間控制。

2.5 聲控模塊

聲控模塊是通過聲響震動效果觸發(fā)拾音器，將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號來控制用電器的開啟，并經(jīng)過一段時間的延遲后自動斷開電子開關(guān)，只有經(jīng)過聲響才能再次開啟。該控制電路主要應(yīng)用于樓梯內(nèi)的燈光控制免能源浪費的同時為人們提供照明，其電路如圖5所示。

圖5 聲控模塊電路

2.6 液晶顯示模塊

LCDl602 液晶顯示屏是一種顯示字符的液晶顯示器[7]，因為LCDl602操作簡單并且價格比較低，所以被人們廣泛應(yīng)用，該液晶顯示屏主要用來顯示時間、工作狀態(tài)和周遭環(huán)境亮度，可更好的反饋手機控制后的運行結(jié)果，也方便監(jiān)測。

3 智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由兩個方面組成：一是定時模式，定時開關(guān)燈，自動調(diào)節(jié)亮度。二是手動模式，手機Wi-Fi遠程控制所有燈的照明情況。

3.1 定時模式下功能軟件設(shè)計

定時模式下照明系統(tǒng)能通過對實時時鐘進行時間的設(shè)置后傳遞給單片機，到達預(yù)設(shè)的時間后單片機發(fā)送指令控制燈的開關(guān)，如果燈是開著的狀態(tài)還可以根據(jù)環(huán)境亮度自動調(diào)節(jié)自身亮度。其程序流程圖如圖6所示。

圖6 定時模式流程圖

3.2 手動模式下功能軟件設(shè)計

手動模式下的圖書館照明系統(tǒng)可通過手機APP發(fā)送指令，Wi-Fi 模塊接收到相應(yīng)的指令傳遞給單片機，經(jīng)單片機處理后發(fā)送相應(yīng)的執(zhí)行指令控制不同燈的開關(guān)以及亮暗，其程序流程圖如7所示。

圖7 手動模式流程圖

3.3 Wi-Fi模塊功能軟件設(shè)計

如何將Wi-Fi 模塊與服務(wù)器連通是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無線通信功能的關(guān)鍵一步。E103-W01 通過第三種通訊方式，設(shè)置一個While 循環(huán)函數(shù)，保證WiFi 模塊與路由器始終處于連接狀態(tài)，系統(tǒng)通過單片機發(fā)送AT指令，檢測WiFi模塊能否正常啟動，是否始終發(fā)送指令確保WiFi 模塊與路由器始終處于連接狀態(tài)。[8]其程序流程圖如8所示。

圖8 Wi-Fi功能流程圖

4 結(jié)語

本文圍繞基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)進行設(shè)計，采用通過Wi-Fi連接手機APP遠程控制所有燈具且在正常狀態(tài)下實現(xiàn)智能照明，融合了Wi-Fi無線通訊技術(shù)、單片機技術(shù)、光敏傳感技術(shù)、并通過各種元器件和控制電路，實現(xiàn)了對圖書館內(nèi)的照明的智能控制。最后進行實物的功能測試，可通過手機遠程控制操作，具有可靠性高、易操作的特點，達到了預(yù)期效果。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，設(shè)備的越來越智能化，本設(shè)計還存在功能不是很完善的地方，比如可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)學(xué)生的多少來確定開燈的個數(shù)，減少了人少但是燈開的多的能源的浪費，對于一年四季不同季節(jié)的的白天時長的不同和晴天陰天的光照強度不同沒有做具體的分析，后續(xù)會解決這些問題，不過未來會向越來越智能化和人性化發(fā)展。