趙玉榮,余文韜,段宗和,于浩,申政,喬辛辰,張洪偉,方正楊
(安徽新華學(xué)院,安徽合肥,230088)
伴隨社會(huì)照明系統(tǒng)的迅速發(fā)展和各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,電力浪費(fèi)、光污染等不合理照明越來越嚴(yán)重,強(qiáng)光或弱光都會(huì)對(duì)人的視力造成傷害。尤其是學(xué)校建筑數(shù)量的直線增長(zhǎng),使得照明設(shè)備需求逐年增長(zhǎng),雖然目前校園照明設(shè)施得到了較大改善,但隨時(shí)關(guān)燈,節(jié)約用電的意識(shí)仍淡薄,校園長(zhǎng)明燈問題也隨之而來,造成照明設(shè)備用電浪費(fèi)嚴(yán)重。因此,校園智能化照明控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今中國(guó)乃至整個(gè)世界的主流,基于上述問題,設(shè)計(jì)一款智能控制型校園智能照明系統(tǒng)是非常有必要的[1]。
本設(shè)計(jì)的校園智能照明控制系統(tǒng)告別多數(shù)校園照明設(shè)備的傳統(tǒng)控制方法(較為常規(guī)的串聯(lián)開關(guān)后與主線并聯(lián),開關(guān)進(jìn)火線,這樣電源才能控制照明開關(guān)),采用無線通信的智能控制方式,利用nRF24L01 無線控制校園智能照明系統(tǒng)主機(jī)與從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)通過發(fā)送數(shù)據(jù)控制從機(jī)的工作方式、照明狀態(tài)和工作模式,也可以在選擇工作方式后,控制從機(jī)照明設(shè)備的開關(guān)。在自動(dòng)模式下,主機(jī)通過聲音檢測(cè)模塊檢測(cè)周圍環(huán)境聲音強(qiáng)度,人體熱釋傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境人體散發(fā)的熱量來確定是否有人經(jīng)過。紅外對(duì)管通過遮擋的方式控制從機(jī)照明開啟;從機(jī)通過檢測(cè)周圍環(huán)境光照強(qiáng)度改變照明亮度。在自動(dòng)模式下主要靠主機(jī)按鍵控制從機(jī)各設(shè)備照明開啟與工作亮度??傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
本設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路組成(見圖2),單片機(jī)選擇STC89C52 芯片[2];時(shí)鐘電路由一個(gè)11.0592MHz 的晶振和兩個(gè)30pF 的瓷片電容組成,從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和時(shí)間設(shè)定等重要作用。
圖2 STC89C52 最小系統(tǒng)系統(tǒng)
nRF2L01 是工作在2.4~2.5GHz 的一款世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)芯片。無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、晶體震蕩器、功率放大器等。當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-68dBm 時(shí)電流消耗為9mA,接收模式時(shí)僅為12.3mA。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低[3]。通過把CE 引腳信號(hào)和CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ 引腳信號(hào)設(shè)置不同,讓數(shù)據(jù)在不同的頻率內(nèi)傳輸。在本設(shè)計(jì)中為nRF24L01 提供3.3V 電壓使其正常工作,當(dāng)無線接收模塊的頻率和發(fā)射的頻率一致時(shí)就會(huì)接收信號(hào),設(shè)置方法一致(見圖3)。
圖3 無線發(fā)射電路
此設(shè)計(jì)通過小電流控制大電流原理控制太陽能充電緊急照明模塊自動(dòng)開關(guān)(見圖4)。當(dāng)供電系統(tǒng)正常時(shí),太陽能板將照射在太陽能板上的光能轉(zhuǎn)換成電能為鋰電池充電,若供電系統(tǒng)突然斷電時(shí),緊急照明燈打開提供照明。
圖4 繼電器控制太陽能充電緊急照明燈電路
光敏電阻作為光照強(qiáng)度的檢測(cè)器件,其工作原理較為簡(jiǎn)單,當(dāng)光照強(qiáng)度比較低時(shí),其反向的阻值比較大,從而反向電流就比較?。幌喾?,當(dāng)光照強(qiáng)度比較大時(shí),電子空穴對(duì)在PN 結(jié)內(nèi)部電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng),形成光電流;光電流的大小和關(guān)照強(qiáng)度成正比;光照強(qiáng)度越大,光電流就越大;所以光敏二極管就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)付光照的強(qiáng)度輸出強(qiáng)度不同的電壓信號(hào)[4]。單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)光敏二極管輸出的電壓信號(hào),通過輸入的電壓信號(hào)判斷外部的光照情況(見圖5)。
圖5 光敏調(diào)節(jié)照明電路
本設(shè)計(jì)采用按鍵接地的方式來讀取按鍵,當(dāng)按鍵按下的時(shí)候,會(huì)給單片機(jī)一個(gè)低電平,單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)S2 按下時(shí)控制從機(jī)通用照明開關(guān);S3 控制教室照明模式,自動(dòng)模式下教室燈自動(dòng)調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度;手動(dòng)模式下S4 控制照明亮度增加,S5 控制照明亮度減少(見圖6)。
圖6 按鍵電路
聲音傳感器模塊對(duì)環(huán)境聲音強(qiáng)度最敏感,可以檢測(cè)周圍環(huán)境的聲音強(qiáng)度(見圖7)。通過調(diào)節(jié)板上藍(lán)色電位器來設(shè)定閾值。在本設(shè)計(jì)中聲音傳感器模塊作用在校園廁所燈完全關(guān)閉的狀態(tài)下,檢測(cè)人的聲音。當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的聲音達(dá)不到通過電位器設(shè)定的閾值時(shí),此時(shí)信號(hào)口就會(huì)輸出高電平信號(hào),當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的聲音超過通過電位器設(shè)定的閾值時(shí),模塊信號(hào)輸出口就輸出低電平信號(hào)。此系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí),聲音傳感器模塊直接連到單片機(jī),在計(jì)時(shí)器記到一定時(shí)間時(shí),觸發(fā)聲音傳感器的任務(wù)去工作,當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到聲音傳感器模塊的信號(hào)時(shí),說明有人發(fā)出聲音需要開燈;單片機(jī)將控制信號(hào)將廁所照明燈點(diǎn)亮;如果在此環(huán)境內(nèi)聲音傳感器模塊檢測(cè)不到聲音大于設(shè)定閥值的聲音就不會(huì)像單片機(jī)發(fā)送信號(hào)信號(hào)時(shí),廁所照明燈一直處于關(guān)閉狀態(tài)。
圖7 聲音傳感器模塊
人體熱釋電紅外感應(yīng)模塊采用雙元探頭,本模塊有兩個(gè)紐扣其中一個(gè)可以改變報(bào)警的延遲時(shí)間,另外一個(gè)改變檢測(cè)的距離,離得越近感應(yīng)越靈敏。在本設(shè)計(jì)中人體熱釋電紅外感應(yīng)模塊作用是在走廊照明燈完全關(guān)閉的狀態(tài)下,檢測(cè)學(xué)生的作用。人體熱釋電紅外感應(yīng)模塊搭配信號(hào)放大電路、電壓比較器可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人員有無的作用。本系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí),人體熱釋電紅外感應(yīng)模塊直接連到單片機(jī),在計(jì)時(shí)器記到一定時(shí)間時(shí),當(dāng)觸發(fā)紅外傳感器說明有人經(jīng)過;單片機(jī)將控制信號(hào)將走廊照明燈點(diǎn)亮;當(dāng)檢測(cè)不到信號(hào)時(shí),走廊照明燈一直處于關(guān)閉狀態(tài)。
LD3320A 語音識(shí)別模塊有16 個(gè)單片機(jī)IO 口,一個(gè)串口可實(shí)現(xiàn)串口通信。本模塊通過識(shí)別一級(jí)口令和二級(jí)口令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能,一級(jí)口令相當(dāng)于密碼,只有一級(jí)口令識(shí)別成功才能識(shí)別二級(jí)口令,通過識(shí)別二級(jí)口令根據(jù)識(shí)別詞匯選擇IO 口向主機(jī)單片機(jī)發(fā)送高低電平信號(hào)來控制從機(jī)照明設(shè)備的開啟與關(guān)閉。比如,開啟從機(jī)辦公室照明就需要先說出一級(jí)口令“小杰”,當(dāng)模塊上的紅色LED 燈就會(huì)亮起,表示一級(jí)口令識(shí)別成功,然后說出二級(jí)口令“開啟辦公室燈”從機(jī)根據(jù)指令開啟辦公室照明燈。關(guān)閉從機(jī)辦公室照明就需要先說出一級(jí)口令“小杰”,當(dāng)識(shí)別成功,模塊上的紅色LED 燈就會(huì)亮起,表示一級(jí)口令識(shí)別成功,然后說出二級(jí)口令“關(guān)閉辦公室燈”從機(jī)根據(jù)指令關(guān)閉辦公室照明燈,并且模塊指示燈熄滅。
校園智能照明系統(tǒng)主要是通過對(duì)按鍵電路、聲音強(qiáng)度傳感器、人體熱釋傳感器、紅外對(duì)管進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)、顯示與判斷,通過對(duì)子函數(shù)的不斷調(diào)用實(shí)現(xiàn)無線循環(huán),實(shí)現(xiàn)校園智能照明控制教室照明強(qiáng)度、馬路、走廊、廁所、通用照明的功能??傮w流程如圖8 所示。
圖8 整體設(shè)計(jì)流程圖
主機(jī)和從機(jī)通過nRF2L01 模塊在室內(nèi)距離五米通信,主機(jī)按下按鍵通過nRF2L01 模塊控制從機(jī)馬路照明、走廊照明、機(jī)廁所照明和繼電器的開關(guān),也可在手動(dòng)模式和自動(dòng)模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。手動(dòng)模式主要是主機(jī)通過按鍵無線遙控從機(jī)進(jìn)行相應(yīng)操作;自動(dòng)模式下主機(jī)通過檢測(cè)紅外、聲音等控制廁所的照明,人體熱釋傳感器用來控制走廊照明,從機(jī)在自動(dòng)模式下自動(dòng)根據(jù)光照強(qiáng)度變換照明亮度。斷電狀態(tài)下緊急照明系統(tǒng)自動(dòng)開啟,主機(jī)可以通過nRF2L01 模塊控制多個(gè)從機(jī),實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作。普通照明是通過按下主機(jī)普通照明按鍵,主機(jī)通過無線傳輸模塊向從機(jī)的無線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包,從機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后經(jīng)過解析數(shù)據(jù)包控制從機(jī)開啟普通照明燈。
馬路照明是通過主機(jī)紅外感應(yīng)傳感器檢測(cè)到紅外對(duì)管被遮擋,主機(jī)通過無線傳輸模塊向從機(jī)的無線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包,從機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后經(jīng)過解析數(shù)據(jù)包,控制從機(jī)馬路照明燈,具體效果見圖9。
圖9 紅外照明測(cè)試實(shí)物圖
廁所照明是通過主機(jī)聲控模塊檢測(cè)超過閥值聲音強(qiáng)度,主機(jī)通過無線傳輸模塊向從機(jī)的無線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包,從機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后經(jīng)過解析數(shù)據(jù)包,控制從機(jī)開啟廁所照明燈。具體效果見圖10。
圖10 聲控照明測(cè)試實(shí)物圖
本次設(shè)計(jì)驗(yàn)證了校園智能照明控制系統(tǒng)是可實(shí)現(xiàn)的,并且在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上可繼續(xù)擴(kuò)展安裝方便、移植性高、控制場(chǎng)景多,顯示簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),本系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅可以應(yīng)用在校園智能照明,校園以外的多種場(chǎng)景之下如體育館、寫字樓、公司等也具有良好的市場(chǎng)前景,具有一定的創(chuàng)新與研究意義。