基于物联网技术的智能台灯设计

沈阳航空航天大学电子信息工程学院 李佳译 郭 锐 王 亮 侯明阳

0 引言

物联网技术作为计算机技术、传感器技术和通信技术交叉融合的产物，将分散的、具有通信能力的传感器节点有机互联起来，使日常生活中的所有事物都有可能成为其连接和沟通的对象，为实现全球物理感知提供了技术支持[1]。ZigBee技术是一种新兴的无线自组网通信技术，具有低成本、低功耗、低复杂度、低数据速率等特点，在日常生产生活中被广泛应用[2]。基于ZigBee技术的智能家居控制系统应用了ZigBee自组网通信技术，具有功耗低等特点，同时避免了繁琐的布线工作，极大的节约了产品的成本[3]。

台灯是日常生活中的必需品，使用者大多是一些年迈视力较差的老人或者处在发育阶段的学生。使用过程中，台灯的频闪会损害视力；用户经常忘记关灯会造成浪费；夜晚需要使用台灯时，需要摸黑去开灯，非常不安全，不方便。目前，市面上现有的智能台灯都以普通日光灯管、节能灯、白炽灯等作为光源，采用有线的方式连接，通过开环的手动控制开启关闭并调节亮度，存在智能化程度低，价格昂贵、不易推广、耗电量大、损害视力等问题。在上述背景下，通过物联网技术设计了一款能够实现自动控制、性价比较高的智能台灯控制系统。

1 系统总体设计

智能台灯控制系统主要由六部分组成。分别为微控制器模块、LED照明模块、LCD液晶显示模块、信息采集模块、用户按键模块和电源模块，其系统结构方框图如图1所示：

图1 系统结构方框图

图2 微控制器模块电路

该智能台灯控制系统有两种可以互相切换的工作模式：自动工作模式和手动工作模式。用户能够通过按键选择工作模式并调节光照等级。系统处于自动工作模式时，微控制器通过无线传感器网络与安装在室内的传感器节点进行无线通信，接收光照强度和热红外信号等室内环境信息。当光照强度小于200勒克斯，同时有人进入热红外释电传感器的感知范围时，智能台灯开启并根据检测到的光照强度自动调节智能台灯的光照等级。此外，用户可以通过按键随时切换到手动工作模式，利用按键直接控制台灯的打开和关闭，并调节光照等级。

2 系统硬件电路设计

智能台灯控制系统硬件电路部分采用CC2530芯片作为整个系统的无线收发及微控制器模块；以热释电红外传感器HC-SR501检测是否有人靠近、光照强度传感器BH1750检测光照强度，构成系统的信息采集模块，通过ZigBee技术组网构成无线传感器网络传输数据，经微控制器处理后控制LED照明模块的开启和关闭，同时根据光照强度信息调节光照等级，从而实现智能台灯的自动控制。

2.1 微控制器模块

该智能台灯控制系统采用基于标准协议IEEE802.15.4之上，应用于ZigBee的CC2530芯片作为系统的无线收发及微控制器模块，其能够建立较为强大的网络节点且总材料成本很低。同时CC2530芯片能够在超低功耗的要求下长时间工作，使其尤其适合智能台灯控制系统的设计。微控制器模块电路如图2所示。

2.2 信息采集模块

智能台灯的信息采集模块由热释电红外传感器HC-SR501和光照强度传感器BH1750构成。热释电红外传感器HC-SR501拥有很高的灵敏度，响应迅速，使用寿命长，稳定性好，同时可以实现数字输出，直接与微控制器连接。光强度传感器BH1750是一种数字型光照强度传感器，采用两线式串行总线接口，直接数字输出，可以实现分辨率为1勒克斯的高精度测定。这些传感器采集到的的实时数据通过ZigBee无线传感器网络发送给微控制器，经处理后作为系统的反馈信号调节PWM输出，从而实现智能台灯的自动控制。

2.3 用户按键模块和LCD液晶显示模块

由于本系统占用的I/O口资源较少，所需按键数目不多，故系统采用四个独立按键，其中一个按键控制系统的开启与关闭，一个按键选择工作模式，另外两个按键调节光照等级的增减。独立按键接口电路结构简单，软件编程容易实现。

LCD液晶显示模块采用1602液晶作为显示器，微控制器通过并行操作写方式实现对1602液晶的控制。智能台灯利用1602液晶显示屏显示系统的实时工作模式、光照强度和光照等级。同时，可以通过连接一个高精度的电位器，实现1602液晶显示屏亮度的调节。

2.4 LED照明模块

LED照明模块采用15个LED作为发光源，由于采用PWM调光技术，同时为了节省I/O口资源，15个LED全部采用并联方式连接，并和1k欧姆的电阻串联来限流。当智能台灯工作在自动工作模式时，需要通过光照强度传感器检测外界光照强度和热释电红外传感器检测是否有人靠近构成闭环控制系统调节自身的光照等级。若室内光照强度大于200勒克斯，光照充足，不论是否有人靠近，智能台灯关闭；若室内光照强度小于200勒克斯，同时有人靠近时，智能台灯开启，根据实时检测到的光照强度调节系统的光照等级。当工作在手动工作模式时，用户通过按键手动调节光照等级。

3 系统软件设计

系统程序设计主要由程序初始化子程序、按键扫描子程序、PWM调光子程序、LCD液晶显示子程序等构成。作为系统的控制核心，主要完成与各个传感器节点之间的组网无线通信、分析处理传感器数据，按键扫描检测、PWM调节光照等级、LCD液晶实时显示等工作。系统程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图

4 结束语

通过测试验证，实现了两种不同工作模式下对智能台灯的自动控制。在自动工作模式下，系统通过检测智能台灯周围的光照强度，是否有人靠近等相关数据，控制智能台灯的开启和关闭，自动调节光照等级；在手动工作模式下，用户可以使用按键手动控制智能台灯的开启与关闭，调节光照等级。同时实现了微控制器与各个传感器节点之间的组网无线通信，有效通信距离可达20米以上。该智能台灯使用方便、节能环保、具有很强的实用性。

[1]王仁兴,易灵芝,王根平等.基于LEACH协议的无线传感器网络路由算法[J].计算机测量与控制,2012,20(11):3129-3130.

[2]陈靖,吴景东.基于ZigBee协议的无线传感器网络技术的分析和应用[J].工业控制计算机,2010(11):30-32.

[3]吴培亚,王钢.基于ZigBee的智能家居远程监控系统的设计与实现[J].微型机与应用,2012(8):28-31.