鐘柱培

東莞理工學(xué)校， 廣東東莞 523000

0 前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展和居民對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，越來(lái)越多的家居設(shè)備變得更加智能，傳統(tǒng)家居正逐漸被智能家居所取代，智能家居行業(yè)得到了空前發(fā)展。智能照明系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，具有高效節(jié)能、管理簡(jiǎn)單、控制多樣化、控制成本低等特點(diǎn)。智能照明技術(shù)在智能家居中得到應(yīng)用和推廣，進(jìn)一步促進(jìn)智能家居數(shù)字智能化的發(fā)展，讓人們的日常生活更舒適、更便利。光照度傳感器是智能照明系統(tǒng)中的核心光感模塊，它可以根據(jù)環(huán)境測(cè)定的光強(qiáng)度值設(shè)定不同的場(chǎng)景，以滿足人們?nèi)粘Ｉ畋憷男枰?/p>

1 光照度傳感器的工作原理

光照度傳感器是基于光的原理發(fā)展的，是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器[1]。它采用熱點(diǎn)效應(yīng)原理，通過(guò)對(duì)弱光性有較高反應(yīng)的探測(cè)部件工作，就像相機(jī)的感光矩陣一樣，內(nèi)部有繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層，熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷結(jié)點(diǎn)則位于機(jī)體內(nèi)，冷熱接點(diǎn)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，在線性范圍內(nèi)，輸出與可見(jiàn)光照射度成正比的電信號(hào)。光照度傳感器具體工作過(guò)程為：可見(jiàn)光通過(guò)濾光片過(guò)濾后照射到光敏元件上，光敏元件根據(jù)光照度大小轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大進(jìn)入傳感器的處理器系統(tǒng)處理后，輸出需要得到的二進(jìn)制電信號(hào)[2]。

光照度傳感器按輸出信號(hào)可分為有線輸出和無(wú)線輸出2種方式。有線輸出方式是指光照度傳感器輸出信號(hào)通過(guò)RS485總線與外界通信，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)控制的目的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[3]；而無(wú)線輸出方式是指光照度傳感器將光信號(hào)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)I2C與ZigBee模組通信，把光照度值上傳給網(wǎng)關(guān)、云端，最后到達(dá)用戶手機(jī)App上顯示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[4]。

2 光照度傳感器在智能家居照明系統(tǒng)中的作用

隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代生活的快速發(fā)展，照明系統(tǒng)應(yīng)用中簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制已不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨蟆Ｔ谌f(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代背景下，照明系統(tǒng)控制也要實(shí)現(xiàn)智能化，以滿足人們實(shí)際應(yīng)用的需求。本文采用無(wú)線式的光照度傳感器（TLGT101W-C1），實(shí)物圖如圖3所示，傳感器電路板如圖4所示。該光照度傳感器主要由傳感檢測(cè)處理模塊和ZigBee通訊模塊2部分組成。其中，光照檢測(cè)處理模塊是至關(guān)重要的一環(huán)，通過(guò)傳感器內(nèi)置的光敏元件，能夠?qū)⑽⑷踝兓墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、比較等處理后傳入ZigBee模塊，最后以無(wú)線形式傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)主控制器進(jìn)行邏輯分析與判斷，以按照人們的要求控制相關(guān)的終端設(shè)備[5]。光照控制系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

無(wú)線光照度傳感器其實(shí)是一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的光照度傳感器。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)根據(jù)用戶自己的需要對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，因此，該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式[6]。

3 光照度傳感器在智能家居照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

在智能家居照明系統(tǒng)中，應(yīng)用光照度傳感器對(duì)環(huán)境光照度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)收集無(wú)線傳輸，顯示并自動(dòng)調(diào)節(jié)燈、窗簾等家居終端設(shè)備，構(gòu)建一個(gè)舒適方便的環(huán)境，滿足人們?nèi)粘Ｉ畋憷男枰?。光照度傳感器在智能家居照明系統(tǒng)中安裝與調(diào)試如下。

3.1 光照度傳感器的安裝

光照度傳感器應(yīng)安裝在四周空曠、感應(yīng)面以上沒(méi)有任何障礙物的地方，將探測(cè)面對(duì)著被檢測(cè)環(huán)境需要檢測(cè)的部分。安裝步驟如下：先把傳感器的底部支架通過(guò)螺絲固定在天花板上，再把傳感器順時(shí)針?lè)较蚵菪D(zhuǎn)到支架上，安裝圖解如圖6所示[7]。安裝固定后，插上充電線即能啟動(dòng)光照度傳感器。

3.2 光照度傳感器的調(diào)試

3.2.1 光照度傳感器設(shè)置

在網(wǎng)關(guān)允許入網(wǎng)條件下，打開(kāi)智慧家居App和彩燈App，短按光照度傳感器RESET鍵一下，綠燈閃爍進(jìn)入找網(wǎng)狀態(tài)，當(dāng)光照度傳感器綠色指示燈熄滅說(shuō)明入網(wǎng)成功，可在設(shè)備列表里面看到入網(wǎng)成功的光照度傳感器，如圖7和圖8所示[8]。

使用抓包軟件Ubiqu抓包，抓包流程如圖9所示，入網(wǎng)時(shí)會(huì)上報(bào)光照度值等[9]。

抓包圖片指令說(shuō)明：

（1）由設(shè)備發(fā)出，請(qǐng)求入網(wǎng)，設(shè)備一般會(huì)全信道掃描找網(wǎng)；

（2）設(shè)備關(guān)聯(lián)請(qǐng)求入網(wǎng)；

（3）設(shè)備數(shù)據(jù)請(qǐng)求，時(shí)長(zhǎng)一般為60 s左右；

（4）查看到給設(shè)備分配的短地址；

（5）傳輸key；

（6）設(shè)備向網(wǎng)關(guān)廣播；

（7）網(wǎng)關(guān)回應(yīng)設(shè)備，此時(shí)設(shè)備已經(jīng)入網(wǎng)，但網(wǎng)關(guān)還沒(méi)有識(shí)別設(shè)備相關(guān)信息，如圖10所示：

（8）網(wǎng)關(guān)向設(shè)備發(fā)出的節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求，設(shè)備給網(wǎng)關(guān)回應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，如圖11所示：

（9）網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求設(shè)備的描述符，設(shè)備回應(yīng)網(wǎng)關(guān)描述符，如圖12所示[10]：

（10）設(shè)備入網(wǎng)結(jié)束，并在App上顯示該設(shè)備；

（11）狀態(tài)變更通知；

（12）狀態(tài)恢復(fù)通知；

（13）電量上報(bào)；

（14）查看光照度值。

短按光照度傳感器RESET鍵一下，綠燈閃爍，表示光照度傳感器已經(jīng)退出ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，也可以在App上退網(wǎng)。

3.2.2 光照度傳感器測(cè)試

當(dāng)光照度傳感器安裝完成并入網(wǎng)成功后，光照度傳感器就進(jìn)入了工作狀態(tài)，會(huì)實(shí)時(shí)地檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度并上報(bào)到手機(jī)，打開(kāi)手機(jī)App的設(shè)備詳情就可以看見(jiàn)上報(bào)的數(shù)據(jù)，如圖13所示[11]。

3.2.3 光照度傳感器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行

在App智能界面上添加條件為設(shè)備聯(lián)動(dòng)，添加的條件為光照度傳感器，設(shè)置光照度值（Lux），添加的動(dòng)作為需要聯(lián)動(dòng)的場(chǎng)景。先設(shè)置太暗了、太亮了2個(gè)場(chǎng)景，當(dāng)光照度值小于50 Lux值綁定提高燈的亮度場(chǎng)景，光照度值大于50 Lux綁定降低燈的亮度場(chǎng)景，如光照度值達(dá)到設(shè)定值時(shí)觸發(fā)對(duì)應(yīng)綁定的場(chǎng)景。

（1）場(chǎng)景設(shè)定：在App智能初始界面上點(diǎn)擊場(chǎng)景，可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行配置，如圖14所示。

點(diǎn)擊場(chǎng)景列表界面右上角的配置，在彈出來(lái)的界面窗口中點(diǎn)擊場(chǎng)景配置，并輸入管理員密碼就可以進(jìn)行新場(chǎng)景配置，如圖15所示，新場(chǎng)景配置主要配置場(chǎng)景名稱，這里輸入的內(nèi)容是根據(jù)情景的內(nèi)容分析進(jìn)行命名為“太暗了”，并勾選編輯設(shè)備中的彩燈，把它的開(kāi)光設(shè)置為“on”，如圖16所示，點(diǎn)擊彩燈右上角進(jìn)入彩燈設(shè)置，滑動(dòng)底部滑條對(duì)亮度進(jìn)行調(diào)配，滑動(dòng)到右邊把亮度調(diào)高，點(diǎn)擊保存，如圖17所示，添加新場(chǎng)景完成，并可在場(chǎng)景列表中看到剛才新添加的“太暗了”的場(chǎng)景[12]。

同理，添加“太亮了”的場(chǎng)景，并在場(chǎng)景列表中可以看到這2個(gè)新加進(jìn)來(lái)的場(chǎng)景，如圖18所示。

（2）場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)：在App智能界面上添加條件為設(shè)備聯(lián)動(dòng)，添加的條件為光照度傳感器，因此需要進(jìn)入光照度傳感器的“設(shè)備詳情”添加智能聯(lián)動(dòng)，如圖19所示[13]。點(diǎn)擊智能聯(lián)動(dòng)進(jìn)入智能聯(lián)動(dòng)配置，包括聯(lián)動(dòng)命名與觸發(fā)條件和添加需要聯(lián)動(dòng)的場(chǎng)景。根據(jù)情景分析，這里設(shè)置聯(lián)動(dòng)任務(wù)名為“太暗了”，觸發(fā)條件為光照度傳感器的狀態(tài)“小于”“50”，選擇聯(lián)動(dòng)場(chǎng)景為“太暗了”，如圖20所示。

同理，設(shè)置聯(lián)動(dòng)任務(wù)名為“太亮了”，觸發(fā)條件為光照度傳感器的狀態(tài)“大于”“50”，選擇聯(lián)動(dòng)場(chǎng)景為“太亮了”，如圖21所示。添加完成可以在智能聯(lián)動(dòng)界面看到這2個(gè)聯(lián)動(dòng)任務(wù)的情況，如圖22所示[14]。

至此，對(duì)智慧教室系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)配置完成，當(dāng)光照度值小于50 Lux值綁定提高燈的亮度場(chǎng)景，光照度值大于50Lux綁定降低燈的亮度場(chǎng)景。

3.3 智能照明系統(tǒng)故障檢修

智能照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，針對(duì)故障進(jìn)行分析，初步確定所在的位置，再運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，軟件與硬件相結(jié)合方式進(jìn)行，這里主要介紹針對(duì)光照度傳感器出現(xiàn)故障的幾種情況進(jìn)行檢修，具體方法如表1所示：

表1 物聯(lián)網(wǎng)光照度傳感器的檢修

4 結(jié)束語(yǔ)

光照度傳感器應(yīng)用于智能家居照明系統(tǒng)中，通過(guò)光照度傳感器將環(huán)境光照信息轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)I2C與ZigBee模組通信，把光照度值上傳給網(wǎng)關(guān)、云端和用戶手機(jī)App，從而實(shí)現(xiàn)智能家居照明系統(tǒng)智能化的控制，讓人們的生活環(huán)境更加舒適便利。隨著科技進(jìn)步和智能化發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研等領(lǐng)域都需要對(duì)光照度的檢測(cè)與控制，光照度傳感器的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，越來(lái)越廣[15]。