新型室内照明智能控制系统的研究与实现[1]

　　0 前言

　　随着世界范围内能源日益紧缺及生活水平的不断提高,人们对室内照明系统节能、舒适度的追求越来越强烈,传统照明系统很难再满足人们的需求。人们希望新型室内照明系统安装设计简单、美观,并且可以根据室内场景的变化,自动设置相应的照明模式。比如当室内人员数量不断增加或者室内光线变暗时,自动增强室内照明亮度;当人员集中在室内某一位置时,自动增强相应位置的照明亮度,同时减弱远离该位置的照明灯亮度;当人们看电视时,自动关闭相应的照明灯或减弱相应的照明灯亮度等。

　　人们期望的室内照明系统能够根据室内场景的变化,自动切换相应的照明模式,这样不仅满足了人们对室内照明舒适度的要求,还能实现节能的目标。例如当人员全部离开房间时,系统自动切换到关闭室内所有照明灯的照明模式,当有人进入房间时,再启用相应的照明模式。这样就避免了由于人离开房间而忘记关灯造成的/长明灯0现象[1]。

　　总之,新的室内照明控制系统应实现在消耗最少电能的条件下,满足人们工作、生活的需求。在上述背景下,本文应用ZigBee传感网技术[2,3],设计了一种新型室内智能照明控制系统,能够有效克服传统照明控制系统存在的缺陷,满足人们新的需求。

　　1 传统室内照明控制系统概况

　　1.1 线路系统

　　传统照明控制系统在线路系统上多采用单控电路或者双控电路。单控电路系统中控制开关直接接在负载回路中,只能实现简单的开关功能;双控电路系统可以用两个单刀双置开关实现双控,但开关之间连接照明电缆,在进行多点控制时开关之间的电缆连线增多,使线路安装变得非常复杂,工程施工难度增大[1]。

　　1.2 控制方式

　　传统照明控制采用手动开关,管理方式落后,必须一路一路地开或关,并且控制方式单一,只有开和关两种状态。另外,传统照明控制系统采用直开直关的方式,不能控制电网冲击电压和浪涌电压,使灯丝难免受到热冲击,缩短了灯具寿命。

　　线路系统和控制方式等的限制,传统室内照明控制系统主要存在管理落后、能源浪费、舒适性差、布线复杂以及灯具寿命短等缺陷,很难满足当代人们对舒适性和节能的需求。因此,随着科技的不断发展,有必要设计一种新的室内照明控制系统来克服传统照明控制方法的不足。

　　ZigBee传感网技术为设计新的室内照明控制系统,克服传统室内照明控制系统的缺陷提供了重要的理论和方法依据。

　　2 系统架构

　　新型室内智能照明控制系统采用与传统照明控制系统完全不同的设计理念,重点应用了基于ZigBee协议[4]的无线传感器网络技术。整个系统由若干独立的约半个手掌大小的网络节点组成,各节点间无须连线,采用ZigBee协议进行无线通信。在技术层次上,系统最终实现为由协调器节点或路由节点与若干终端节点组成的星状拓扑结构[5,6]的无线传感器网络,如图1所示。

　　图1 系统网络模型图

　　图1中协调器节点或路由节点为系统的中心控制节点,通过ZigBee协议与各终端节点进行通信。本系统中,终端节点按照不同的功能划分为三类:采集室内光线强弱的终端节点、采集人员位置移动信息的终端节点以及控制照明模式的终端节点。

　　3 系统硬件设计

　　由前文可知,在功能层次上,系统共包括四种类型的节点:由协调器节点或路由节点构成的中心控制节点、采集室内光线强弱的终端节点、采集人员位置移动信息的终端节点以及控制照明模式的终端节点。这些节点要实现各自的功能,必须有相应的硬件支持。

　　对于中心控制节点,一个运行ZigBee协议栈的单片机以及无线收发器是必需的。如果需要与PC机相连,中心控制节点还需配置相应的接口。例如本系统使用PIC18F4620单片机及CC2420收发器,并为中心控制节点配置了RS2232串行接口。

　　采集室内光线强弱的终端节点及采集人员位置移动信息的终端节点除需要运行ZigBee协议栈的单片机以及无线收发器外,还必须配置相应的传感器。本系统为前者配置了光敏传感器,为后者配置了红外传感器。

　　最后,控制照明模式的终端节点同样需要基本的单片机及收发器部件,另外还需一个外接可控硅控制电路,如图2所示,用于实现对照明灯亮度的调节。

　　该电路依据交流电过零检测[7]的思想来设计。图2中所示单片机由交流电间接供电,因此需要一个电感T1来实现电路分离。另外,二极管D1~D4负责控制波形矫正;电容C2实现波纹过滤;C3尽量与单片机电源引脚靠近,用来抑制高频噪声;齐纳二极管(Z1)通过压缩整流电压来提供期望的调制电压。如果不使用交流电间接为MCU供电,则图2中左半部可省略,由外接直流电源直接供电即可。图2中右半部分两个光耦实现负载与高压控制电路的隔离。单片机PB6引脚用来采集交流电正弦周期的每个过零点,PD0用来控制可挂硅的导通。

　　图2 基于PIC18F4620单片机的调光电路

　　4 系统控制流程

　　第2章指出,系统由中心控制节点、采集室内光线强弱的终端节点、采集人员位置移动信息的终端节点以及控制照明模式的终端节点组成。在系统控制中,负责采集室内环境信息的终端节点将采集到的光线强弱信息、室内人员个数及位置信息发送给中心控制节点,中心控制节点首先对这些信息进行综合处理,判断出当前室内应设置的照明模式,然后把该照明模式发送给控制照明模式的终端节点,控制照明模式的终端节点根据接收到的照明模式信息驱动其外接可控硅电路,最终设置相应照明灯的亮暗状况。当室内环境信息发生变化时,系统能够自动感知这些状况并切换至相应的照明模式。

　　具体实现过程中,需要解决以下难题:人员进出房间的判断;人员室内位置信息的判断;室内光线强弱的判断;外接可控硅电路驱动方法设计;中心控制节点照明模式判断设计。

　　下面结合具体实例来讨论上述问题。如图3所示为系统各节点在室内布置的一个实例,房间入口处上侧0号为中心控制节点;编号为Ñ、Ò的两个节点为终端节点,用于采集进入房间内人员的个数;靠窗的A、B两个终端节点用于采集当前房间内的光线强度信息;负责采集人员在房间内位置信息的节点为5、6、7、8号终端节点;剩余的X、Y、Z三个终端节点用来控制房间照明模式的设置,其中X节点控制室顶四盏下照灯,Y节点控制矩形桌旁的两盏壁灯,Z节点控制书桌上的台灯。

　　图3 系统节点布置模型图

　　4.1 人员进出房间的判断方法

　　人员进出房间的判断由两个载有红外传感器的终端节点来实现,如图3中编号为Ñ、Ò的两个节点。具体实现过程中将与传感器相连的单片机引脚配置为双边沿触发中断。这样只有当Ñ、Ò先后产生上升沿中断,接着又先后产生下降沿中断时,才认为有人进入了房间,如图4中的进入状态;同样,当有人离开房间时,Ò、Ñ先后产生上升沿中断,接着又先后产生下降沿中断,如图4中的走出状态;对其他中断触发情况,均不认为当前房间内人员个数有变化,如图4中的退出与退入状态。

　　图4 判断人进出房间的控制流程图

　　本实例采用两个终端节点来判断人员进出房间的状况,这样做的好处是可以将两个传感器探头最接近放置,从而避免由于两个传感器放置距离较远,造成的Ñ上升沿中断,Ñ下降沿中断,Ò再上升沿中断,即人已经经过了传感器Ñ,但还没未触发到传感器Ò的结果。这种方法的缺点是加重了中心控制节点的计算负担,因为两个终端节点都需要将感测到的中断信号发送给中心控制节点,而不作任何处理。

　　另一种方法是使用一个终端节点来完成人员进出房间的判断控制,要求两个红外传感器接在该终端节点单片机上能产生双边沿中断的引脚上。该方法的好处是判断人员进出房间的计算过程由终端节点自身来完成,减轻了中心控制节点的运算负担;缺点是两个红外传感器探头不能太接近,否则容易产生一个中断处理过程中,另一个中断到来的情况,影响判断结果的准确性。

　　4.2 人员室内位置信息的判断

　　室内人员位置信息的判别由载有红外传感的终端节点来实现。根据红外传感器的探测距离及室内空间的大小,可以合理安排红外终端节点的个数及具体位置。如图3所示,编号为5~8的节点为用于室内定位的红外终端节点。具体实现方法较为简单,不再赘述。

　　4.3 室内光线强度的判断

　　室内光线强度判断由载有光敏传感器的终端节点来实现。本系统使用两个载有光敏传感器的终端节点,对应图3中靠窗的A、B节点。考虑到光敏传感器自身的特性与人们的具体需求,将两个载有光敏传感器的终端节点一个置于室外,一个置于室内当人们拉上窗帘可以遮挡住的地方。

　　将一个节点置于室外,主要原因是光敏传感器能感测到室内照明灯自身的亮度。因此,如果将光敏传感器都安装在室内能感测到照明灯光线的地方,当照明灯亮时,光敏传感器就会得到光线强度较亮的结果,从而引起路由节点关闭照明灯,接着又会感测到黑暗的结果,再次设置照明灯亮起,从而造成室内照明模式在亮暗间循环设置。

　　将一个载有光敏传感器的终端节点置于室内窗帘可以遮挡住的地方,主要是为了最大限度地满足人们的需求。例如白天室内人员拉上窗帘时,室内光敏传感器感测到阴暗的结果,进而触发设置照明灯点亮的照明模式,避免白天拉上窗帘时室内漆黑的结果。

　　最后,对两个光敏传感器感测到的结果,总是选择较大(漆黑)的值作为有效值。