包依勤，許文斌

（南京曉莊學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210013）

0 引 言

現(xiàn)今生活中常規(guī)開關(guān)的控制方式包含兩個(gè)狀態(tài)，即接通與斷開。相比于機(jī)械式墻壁開關(guān)，智能開關(guān)的功能特色頗為豐富，具有智能化、節(jié)能、安全、式樣美觀等特點(diǎn)。智能開關(guān)打破了傳統(tǒng)墻壁開關(guān)用途單一的局限，除了功能創(chuàng)新，其還被賦予了裝飾點(diǎn)綴的使命。智能開關(guān)被廣泛應(yīng)用于家居智能化、工業(yè)智能化、農(nóng)林漁牧智能化改造等領(lǐng)域，極大地節(jié)約了能源，提高了生成效率，降低了運(yùn)營(yíng)成本。

智能開關(guān)是指利用控制板和電子元器件的組合及編程，實(shí)現(xiàn)電路智能開關(guān)的單元。開關(guān)控制又稱為Bang-Bang控制，由于這種控制方式簡(jiǎn)單并且易于實(shí)現(xiàn)，因此在家用電器和照明燈具控制中被廣泛應(yīng)用。但如今的常規(guī)控制開關(guān)難以滿足精度的進(jìn)一步提高和節(jié)能化要求[1]。

目前許多家庭或辦公室都安裝了墻壁開關(guān)，普遍存在無人燈亮、燈多人少、白天燈常亮等問題，不僅浪費(fèi)了有限的電能，還縮短了燈具的使用壽命[2]?，F(xiàn)有的調(diào)控方案分為如下兩種：

（1）通過安裝紅外傳感器來檢測(cè)室內(nèi)是否有人員存在，如有則亮燈，即使白天光線很強(qiáng)；

（2）通過安裝光強(qiáng)傳感器來檢測(cè)室內(nèi)光線強(qiáng)弱，若光線較暗則燈亮，即使室內(nèi)無人。

上述兩種方案雖有一定的智能節(jié)能效果，但仍存在電能利用率低，節(jié)能效果不明顯等問題?；谌梭w紅外和光照傳感器的智能網(wǎng)絡(luò)開關(guān)較好地解決了上述問題，真正做到智能和節(jié)能。只在室內(nèi)有人和光線較弱時(shí)，燈才亮；光線好或無人時(shí)，燈自動(dòng)熄滅。

1 基于人體紅外和光照傳感器的智能網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的結(jié)構(gòu)

基于人體紅外和光照傳感器的智能網(wǎng)絡(luò)開關(guān)主要由CC2530芯片、人體紅外傳感器、光照傳感器和繼電器等組成。在原有開關(guān)基礎(chǔ)上，安裝人體紅外傳感器和光強(qiáng)傳感器。人體紅外信號(hào)及光強(qiáng)信號(hào)通過CC2530的I/O輸入端輸入，繼電器則分別與高壓端和CC2530的I/O輸出端相連。開關(guān)通電時(shí)，CC2530收到人體紅外和光照傳感器的信號(hào)，通過程序處理，判定當(dāng)前房間的情況是否滿足開燈的條件：當(dāng)屋內(nèi)有人且光線較暗時(shí)，開關(guān)接通，其余時(shí)間皆處于斷開狀態(tài)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器是以紅外光作為介質(zhì)的傳感器，又名熱釋電傳感器。壓電陶瓷類電介質(zhì)在電極化后保持極化狀態(tài)，稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化隨溫度升高而減小，在居里點(diǎn)時(shí)，溫度降為0。因此當(dāng)這種材料接收紅外輻射而溫度升高時(shí)，表面負(fù)荷減少，釋放了一部分電荷，即熱釋電。釋放的電荷經(jīng)放大器可轉(zhuǎn)換為電壓輸出，即熱釋電傳感器的工作原理[3,4]。本設(shè)計(jì)使用HC-SR501人體紅外傳感器，內(nèi)部電路如圖2所示。

當(dāng)有人進(jìn)入人體紅外傳感器的感應(yīng)范圍時(shí)，輸出高電平；離開感應(yīng)范圍時(shí)則系統(tǒng)自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平[2]。CC2530通過其高低電平對(duì)當(dāng)前檢測(cè)范圍內(nèi)是否有人進(jìn)行判定。人體紅外傳感器狀態(tài)原理如圖3所示。

圖2 HC-SR501人體紅外傳感器內(nèi)部電路圖

圖3 人體紅外傳感器狀態(tài)原理圖

開關(guān)中所用的HC-SR501人體紅外傳感器實(shí)物如圖4所示。傳感器有三個(gè)引腳可與CC2530相接。VCC接正極，GND接負(fù)極，OUT接信號(hào)端，與CC2530輸入口相連。對(duì)于此傳感器，其靈敏度和延時(shí)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況通過傳感器的旋鈕調(diào)節(jié)。

圖4 人體紅外傳感器實(shí)物圖

3 光照傳感器

光照傳感器是將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)為電壓值的一種傳感器。光照強(qiáng)度指光照的強(qiáng)弱。以單位面積上所接受可見光的能量來量度，簡(jiǎn)稱照度（Lux或Lx）。被光均勻照射的物體，在1 m2面積上所得的光通量是1流明時(shí)，其照度為1 Lux（流明為光通量的單位）。發(fā)光強(qiáng)度為1燭光的點(diǎn)光源，在單位立角體（1球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為“1流明”[5,6]。本設(shè)計(jì)使用BH1750光照傳感器，內(nèi)部電路如圖5所示。

圖5 BH1750光照傳感器內(nèi)部電路圖

開關(guān)接通時(shí)，若人體紅外傳感器檢測(cè)到有人存在，那么光照傳感器便會(huì)采集當(dāng)前房間的光照數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成電壓值傳送給CC2530。CC2530通過光照傳感器傳送來的電壓值判定當(dāng)前的光照值。光照傳感器工作原理如圖6所示。

圖6 光照傳感器工作原理圖

開關(guān)中所用的BH1750光照傳感器實(shí)物如圖7所示。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口（I2C）的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，有四根不同的引腳與CC2530相連。VCC接正極，GND接負(fù)極，SCK與DAT分別與CC2530輸入口相連，作為I2C總線編程的時(shí)鐘信號(hào)端及數(shù)據(jù)端。

圖7 BH1750實(shí)物圖

圖8 CC2530最小系統(tǒng)電路圖

4 CC2530微處理器

CC2530是德州儀器（Texas Instruments，TI）生產(chǎn)的一款基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，能以極少的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對(duì)芯片進(jìn)行編程，從而執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，通過數(shù)字或模擬輸入輸出進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)及設(shè)備控制的信號(hào)輸出。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)選用CC2530F256芯片，實(shí)現(xiàn)功能最大化[7-9]。最小系統(tǒng)電路如圖8所示。

人體紅外傳感器、光照傳感與繼電器分別與CC2530相連接，共接入四個(gè)I/O端，其接入端口為輸入輸出，在程序中設(shè)定。初步假設(shè)情景：在房間中安裝好本設(shè)計(jì)開關(guān)，當(dāng)有人進(jìn)入房間時(shí)，人體紅外傳感器將高電平傳送至CC2530；收到高電平，CC2530通過光照傳感器實(shí)時(shí)采集當(dāng)前房間數(shù)據(jù)。若當(dāng)前光照數(shù)據(jù)低于設(shè)定閾值，則CC2530向繼電器輸出一個(gè)高電平信號(hào)，即打開燈；反之，關(guān)閉燈。CC2530自組成星形網(wǎng)絡(luò)，星形網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器接收所有智能網(wǎng)絡(luò)開關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一開關(guān)控制。CC2530程序流程如圖9所示。

5 結(jié) 語

該智能開關(guān)的運(yùn)用，使得房間的燈具實(shí)現(xiàn)了智能化控制。用戶進(jìn)入房間時(shí)，無需刻意打開或關(guān)閉燈具；走出房間時(shí)，燈具會(huì)自動(dòng)關(guān)閉；白天光線較好時(shí)，燈亦自動(dòng)熄滅。開關(guān)在實(shí)現(xiàn)智能化的同時(shí)，也在一定程度上降低了燈具的能耗。CC2530作為一個(gè)真正的片上系統(tǒng)，經(jīng)過時(shí)間的考驗(yàn)，運(yùn)行平穩(wěn)，功耗低，且不易損壞，極大地保障了系統(tǒng)的安全性，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠。相比于單片機(jī)等其他實(shí)現(xiàn)方式，該方案具有功耗低、可自組網(wǎng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)?；谌梭w紅外和光強(qiáng)傳感器的智能網(wǎng)絡(luò)開關(guān)具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

圖9 CC2530程序流程圖

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