白娜

（哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150027）

隨著社會的不斷發(fā)展，能源消耗也逐年遞增，全球資源減少成了一個需要世界重視的問題，其中照明用電浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。無論是室內(nèi)照明還是城鎮(zhèn)道路照明都存在著能源浪費(fèi)現(xiàn)象，如辦公樓、學(xué)校等場景。由于企業(yè)的發(fā)展以及教育的普及，辦公樓與學(xué)校的規(guī)模也越來越大，經(jīng)常會出現(xiàn)白天光照充足卻依然開燈，且從不會因?yàn)槿松俣匍_燈，幾乎不存在人走燈滅的現(xiàn)象?！伴L明燈”現(xiàn)象造成了企業(yè)以及學(xué)校的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前的科技水平，對于燈光的智能控制已經(jīng)有了成熟的解決方案，但對于室內(nèi)照明龐大的用電量，尤其是企業(yè)超高的辦公照明用電量，卻很少有企業(yè)針對這一問題設(shè)計智能照明系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也應(yīng)該在室內(nèi)照明領(lǐng)域發(fā)揮出其技術(shù)優(yōu)勢。在我國走向智能化和工業(yè)化時代的今天，發(fā)展智能照明控制系統(tǒng)就變得十分迫切，也應(yīng)該得到重視。

1 系統(tǒng)的總體方案

本系統(tǒng)依據(jù)IOT 架構(gòu)，將系統(tǒng)工作具體分為三層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。本課題系統(tǒng)整體方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

感知層中每個照明區(qū)域都由ESP8266 終端節(jié)點(diǎn)、各類傳感器、LED 燈板和相關(guān)電路組成。在不同區(qū)域當(dāng)傳感器檢測到照明區(qū)域滿足相關(guān)照明條件后，傳感器將對ESP8266 終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送觸發(fā)信號。ESP8266 終端節(jié)點(diǎn)接收信號后將終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送給樹莓派（數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)為傳感器采集信息等）。除此之外照度傳感器實(shí)時采集并上報光照強(qiáng)度信息。

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)智能照明的無線傳輸，將樹莓派與物聯(lián)網(wǎng)平臺結(jié)合，完成數(shù)據(jù)處理。其中平臺由Home Assistant擔(dān)當(dāng)，將數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)用戶的相應(yīng)設(shè)定，作出相應(yīng)的動作，即根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的屬性更改區(qū)域照明的狀態(tài)，對ESP8266 發(fā)送數(shù)據(jù)包，ESP8266 終端接收到數(shù)據(jù)包后對相應(yīng)區(qū)域照明燈板發(fā)出PWM 信號，結(jié)合電源調(diào)節(jié)燈板亮度，從而實(shí)現(xiàn)照明的智能調(diào)節(jié)[1]。

在應(yīng)用層中，用戶可通過相應(yīng)交互界面更改照明系統(tǒng)的屬性、工作狀態(tài)以及相應(yīng)的工作時段等功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)通過ESP8266 終端節(jié)點(diǎn)控制人體紅外傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、聲音傳感器來獲取各區(qū)域的人以及光照環(huán)境的情況，同時控制LED 照明的工作狀態(tài)，所獲取的各種傳感器參數(shù)通過WiFi 組網(wǎng)通信傳輸至樹莓派，樹莓派同時再將采集到的數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，供用戶通過物聯(lián)網(wǎng)平臺遠(yuǎn)程對智能照明系統(tǒng)進(jìn)行訪問和控制[2～6]。

2.1 系統(tǒng)主控模塊

樹莓派ZERO 是硬件設(shè)計部分的主要控制模塊。其主要工作就是對終端節(jié)點(diǎn)采集到的信息進(jìn)行分析、處理和控制等。

2.2 通信模塊

在智能照明控制系統(tǒng)中，WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)和樹莓派以及物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接。本系統(tǒng)選用ESP8266 來完成各個區(qū)域相關(guān)傳感器與樹莓派之間的數(shù)據(jù)通信，ESP8266 可以通過AT指令配置，和主控器的串口進(jìn)行通信，利用WiFi 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

通過NodeMCU 平臺對ESP8266 芯片引腳進(jìn)行拓展，這使得ESP8266 變?yōu)橐粋€集合了Arduino 功能多用途的IOT 控制器，其配備了USB 接頭、LED 燈和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)引腳，以及與傳感器或其他開發(fā)板交互的標(biāo)準(zhǔn)接口。

由于ESP8266 芯片只能承受3.3V 的最高電壓，而拓展平臺供電為5V 電壓，所以需要5V 轉(zhuǎn)3.3V 的降壓電路為ESP8266 芯片進(jìn)行供電。NodeMCU 平臺左側(cè)2 引腳為EN可觸發(fā)復(fù)位操作。另外控制程序需要通過USB 轉(zhuǎn)TTL 電路進(jìn)行燒錄。如圖2 所示。

圖2 總體電路圖

2.3 環(huán)境采集模塊

2.3.1 人體紅外檢測模塊

在寫字樓內(nèi)，智能照明系統(tǒng)主要由日光燈、聲控?zé)艚M成。日光燈的控制是通過人體紅外傳感器模塊采集室內(nèi)的人員活動信號，使得主控模塊可以根據(jù)人員活動情況調(diào)節(jié)照明亮度。人體紅外傳感器的OUT 端與ESP8266 的IO12 連接，另外VCC 和GND 端口接入5V 電源的正負(fù)極。本系統(tǒng)的模式選擇為自動模式，當(dāng)有人進(jìn)入紅外信號感應(yīng)范圍時，模塊OUT 輸出高電平，當(dāng)人離開紅外信號區(qū)域，模塊輸出端OUT 自動關(guān)閉高電平。如圖2 所示。

2.3.2 光照強(qiáng)度檢測模塊

光照環(huán)境檢測電路是利用光敏材料為核心，當(dāng)傳感器感受到一定的光線照射，光敏電阻的阻值就會發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。將C8 瓷片電容同光敏電阻并聯(lián)，再在5V電源上接入10k 的電阻，當(dāng)光敏電阻的阻值根據(jù)光照環(huán)境變化時，并聯(lián)電壓也會發(fā)生變化。其中傳感器AO 引腳連接NodeMCU 的IO 引腳，ESP8266 就可以采集到當(dāng)前的光照環(huán)境狀況。如圖2 所示。

2.3.3 聲音檢測模塊

聲音傳感器對環(huán)境聲音強(qiáng)度敏感，本系統(tǒng)中用來檢測聲控?zé)糁車穆曇魪?qiáng)度。聲控?zé)舻目刂剖峭ㄟ^聲音傳感器模塊采集室內(nèi)的人員聲音信號，使得主控模塊可以根據(jù)人員聲音情況調(diào)節(jié)照明亮度。模塊在環(huán)境聲音強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時，聲音傳感器OUT 輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境聲音強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時，聲音傳感器OUT 輸出低電平。本系統(tǒng)中聲音傳感器模塊上的VCC 和GND 接入5V 電源正負(fù)極，OUT引腳連接NodeMCU 的IO12 引腳。如圖2 所示。

2.4 照明模塊

本系統(tǒng)照明控制通過自鎖開關(guān)將調(diào)節(jié)模式分成聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)和手動亮度調(diào)節(jié)兩種，在室內(nèi)聯(lián)網(wǎng)控制開關(guān)打開時，LED 照明控制由NodeMCU 的IO2 引腳發(fā)送的PWM 信號控制，PWM 是利用脈沖調(diào)制信號反復(fù)開關(guān)驅(qū)動器，從而達(dá)到調(diào)節(jié)LED 平均電流的目的，這種調(diào)光方式開關(guān)效率高，輸出電流和電壓穩(wěn)定。而且LED 始終在恒流條件下工作，調(diào)光范圍更大。在室內(nèi)聯(lián)網(wǎng)控制開關(guān)關(guān)閉時，LED 照明控制旋鈕手動調(diào)節(jié)用戶可以根據(jù)室內(nèi)房間的光照條件和需求進(jìn)行LED 照明的調(diào)節(jié)。如圖2 所示。

3 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)用主要在ESP8266 開發(fā)、樹莓派開發(fā)以及物聯(lián)網(wǎng)平臺上。ESP8266 上的軟件設(shè)計包括采集傳感器信息、控制無線傳輸通信、控制LED 照明。樹莓派開發(fā)的軟件包含數(shù)據(jù)傳輸處理、算法處理、與物聯(lián)網(wǎng)平臺搭建連接用戶交互界面。物聯(lián)網(wǎng)平臺上用戶可通過網(wǎng)頁或微信小程序訪問控制界面。寫字樓智能照明系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 寫字樓智能照明系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)框圖

3.1 照明控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

該監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分的主程序所要完成的工作有：完成主控模塊和終端節(jié)點(diǎn)的初始化，使系統(tǒng)處在一個即將工作的狀態(tài)；調(diào)用光照傳感器子程序和人員檢測子程序。通過人員檢測子程序來判斷當(dāng)前環(huán)境是否有人，并將信號傳輸給終端節(jié)點(diǎn)；調(diào)用WiFi 通信子程序與數(shù)據(jù)處理子程序。在傳感器采集到信號后，終端節(jié)點(diǎn)將采集的傳感器信號上傳至主控模塊，主控模塊在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，將相應(yīng)指令傳送至終端節(jié)點(diǎn)，以此完成數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理的工作；調(diào)用照明控制子程序。在終端節(jié)點(diǎn)接收到指令信號后，改變PWM 信號輸出調(diào)節(jié)LED 照明亮度，進(jìn)而完成照明調(diào)節(jié)的工作。

3.2 交互界面的設(shè)計

該系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)設(shè)計，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，屬于C/S 體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。交互界面采用B/S 架構(gòu)，用戶無須安裝任何軟件，系統(tǒng)支持大部分瀏覽器，如IE、Firefox 等。用戶在瀏覽器中鍵入地址即可訪問用戶界面，首先顯示如圖4 所示的系統(tǒng)用戶登錄界面，用戶正確輸入用戶名和密碼后即可成功登錄，若用戶名和密碼其中有一項(xiàng)輸入錯誤將無法登錄，由于系統(tǒng)以web 網(wǎng)頁形式呈現(xiàn)給用戶，任何人都可以進(jìn)行訪問，所以此系統(tǒng)為安全起見不支持用戶注冊，系統(tǒng)的用戶和密碼直接錄入數(shù)據(jù)庫中，若要讓人進(jìn)行登錄，需將預(yù)先設(shè)定的用戶名和密碼告知其他用戶[3]。

圖4 用戶登錄界面

用戶登錄成功后即可進(jìn)入系統(tǒng)主界面，主界面如圖5所示。用戶主界面將辦公室、走廊、樓梯間等區(qū)域分開顯示，在此界面可以直接控制所有區(qū)域的照明開關(guān)。同時主界面還可以顯示天氣信息等根據(jù)用戶需求定制的信息[4]。

圖5 用戶主界面

點(diǎn)擊相應(yīng)區(qū)域鏈接進(jìn)入?yún)^(qū)域控制界面，例如進(jìn)入辦公室控制界面，在此界面可以查看歷史的開關(guān)狀態(tài)，并調(diào)節(jié)照明亮度。

用戶還可以點(diǎn)擊左側(cè)歷史圖標(biāo)進(jìn)入歷史界面，在此界面可以查看所有區(qū)域的歷史狀態(tài)，還可以根據(jù)用戶需求定制一些功能，如室內(nèi)的溫度和濕度狀態(tài)，在歷史界面也可將這些信息匯總顯示出來。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)在了解國內(nèi)外室內(nèi)智能照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)人們生活中的實(shí)際需求對寫字樓智能照明控制系統(tǒng)這一課題進(jìn)行研究。結(jié)合WiFi 無線通信技術(shù)、嵌入式開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)，能夠?qū)Ω鶕?jù)不同區(qū)域的環(huán)境條件自動調(diào)節(jié)LED 照明狀態(tài)，也能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)不同區(qū)域的照明狀態(tài)等。