基于智能手机的照明控制系统设计

2015-03-16陈承义黄莺

河池学院学报 2015年2期

陈承义，黄莺

(柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545616)

目前，管理公共场所照明设备大多数采用的是传统的普通开关，存在操作不便、不能自动控制的缺点，极易造成资源的浪费。由于缺少自动控制，灯泡长明的浪费现象普遍存在，由此也会出现灯泡易烧坏，寿命短，浪费资源的现象，从而造成巨大的经济损失。而且采用有线方式控制照明系统，具有施工量大、布线麻烦、安装成本高、不易维护和可扩展性差等缺点［1］。无线控制的照明系统能够弥补上述不足，它安装成本低、布线简单、突破实质问题上的限制［1］，无线控制方式将成为未来的趋势。

考虑到智能手机的普及和便携性，因此，开发一款基于智能手机的统一控制和远程控制照明设备系统具有实际应用价值。为了实现照明控制系统的功能需求，借鉴并改进原有类似产品，下面阐述一种基于智能手机照明控制系统设计方案，目标是能够完成远程实时控制开关照明设备。

1 总体设计和工作原理

根据照明控制系统功能需求，基于智能手机照明控制系统主要由上位机和下位机组成，下位机包括电源模块、网络模块、单片机模块、继电器模块以及照明设备，上位机由智能手机和设置软件组成，如图1所示。

下位机主要是控制照明设备的开或关，可以联网工作，也可脱网工作。使用前需要通过设置软件设置相应的参数，比如IP地址、端口号、定时工作模式和外部输入控制关联模式等信息。如果设置了定时工作模式，当时间到达后，单片机自动发送相应的命令控制继电器电路通断，实现照明设备的定时开关;如果设置外部输入控制关联模式，则照明设备的开关可由外部的传感器电路的信号触发控制。如果下位机工作于联网状态，则需要在智能手机上安装APK软件，设置好对应的IP地址、端口号后连接网络，联网成功后可通过手机软件的按钮去控制照明设备的开关。手机可通过GPRS或者WIFI方式进行控制。

2 系统硬件设计

电源模块通过220 V/20 V变压器，经过整流电路后，接入稳压芯片LM7812输出+12 V，供电给继电器模块，再经过LM7805输出+5 V电压供给传感器电路、单片机模块和网络模块等，电路如图2所示。

图2 电源电路图

单片机模块采用的是STC公司的IAP15F2K61S2，支持ISP/IAP功能，速度快、具有61 kB片内FLASH程序存储器，2 048 B的SRAM，大容量EEPROM，内部时钟频率从5 MHz～35 MHz，各种接口齐全，方便扩展。

网络接口模块采用的是microchip公司生产的网络接口控制器ENC28J60，其接口符合兼容IEEE802.3标准，内置DMA模块，实现数据快速收发;通过SPI接口实现与单片机的通信，支持查询方式和中断方式与单片机进行数据交换，达到10 Mb/s的速率，并有专用的LED连接用于网络状态指示［2］，具体电路如图3所示。OSC1和OSC2间外接25 MHz的晶振;差分输入TPIN+/TPIN－间加一个1∶1脉冲实现，差分输出TPOUT+/TPOUT－提供一个1∶1脉冲变压器，每一部分需加2个50 Ω(1%)的电阻和0.01 μF的电容串联后接地，RJ45接口采用HR910005A，具体如图4所示;RBIAS接一个2.7 kΩ的偏置电阻;Vcap和Vss间接一个10 μF的电容以保证电路的稳定性，LEDA和LEDB外接LED灯［2］。

继电器模块采用的是G2R－14－DC5型号，可以实现八路继电器控制。单片机通过74HC595控制NLN2803芯片，从而去控制继电器电路的通断。具体电路如图5所示。

传感器电路模块需要具有开关特性，即电路输出是数字量电信号(高电平或低电平)，以光敏电阻为例。光敏电阻模块对环境光强最敏感，一般用来检测周围环境的亮度和光强。在无光条件或者光强达不到设定阈值时，VOUT输出高电平，当外界环境光强超过设定阈值时，模块VOUT输出低电平;通过单片机来检测VOUT端高低电平，驱动继电器模块通断照明设备，如图6所示。调整R7可调电阻改变IN端的输出电压，可以改变灵敏度。

图3 网络控制器电路图

图4 RJ45接口电路图

图5 继电器模块电路图

图6 传感器模块电路图

3 系统软件设计

系统软件分为两部分，一部份是下位机程序，另一部份是安装到智能手机的上位机控制软件和PC机上的设置软件。

下位机程序功能主要有:(1)接受通过网络模块设置相应参数，如IP地址、端口号、定时工作模式和外部输入控制关联模式等功能;(2)接受智能手机通过GPRS/WIFI发送的命令;(3)解析智能手机的命令，然后向继电器模块发送断开或闭合指令;(4)检测外部输入传感器电路接入的电平，以实现对继电器的控制;(5)定时功能等。所有程序都采用模块化设计，采用C语言编程，方便移植，具体工作流程如图7所示。

上位机是在Eclipse开发软件下结合SDK进行开发的。上位机监控软件主要有网络连接、按钮控制、属性修改等功能。

网络连接功能需要打开网络连接、填写IP地址和端口号，如果网络连接未打开，则提示先打开网络连接，否则需要先获取到IP地址和端口号，然后通过网络向下位机发送相应的连接命令，下位机接收到此连接命令后返回一个数值，上位机根据数值判定连接是否成功。连接成功后点击上位机监控软件中的按钮，通过网络向下位机发送相应的控制命令，下位机接收到控制命令并解析后向继电器电路发送指令，实现对照明设备的控制，并向上位机返回状态数据信息。上位机根据收到下位机返回的状态数据信息，按钮会显示相应的颜色，如果照明设备处于打开状态，会显示绿色，否则显示红色，具体工作流程如图8所示。

图7 下位机工作流程图

图8 上位机工作流程图

4 实验应用

在进行测试时，使用下载线把下位机程序下载至下位机单片机中，然后在PC机上通过设置软件IP地址、端口号、定时工作模式和外部输入控制关联模式等参数，在联网状态和脱网状态下对照明控制系统进行测试。在测试之前，需要把设计好的光敏传感器模块接入单片机，把照明设备接入继电器模块输出端子上，确认连接正确后通电测试，具体测试结果如表1所示。