校园智能照明控制系统设计

庞敏敏 乔阳利

摘 要：随着科技的进步，传统的照明控制方式已经不能满足人们的需求，而且照明能耗也不容乐观。针对这些问题，文章设计了基于云平台和ardunio微控制器板的智能灯光控制系统，充分利用了云平台的技术优势，实现了移动端远程监控功能，安全性高，可靠性好，具有广泛应用前景。

关键词：云平台；arduino；照明控制系统

随着科技的高速发展，能源消耗成为国家和社会关注的热点问题。与此同时，随之而来的节能减排工作成为研究的重要内容之一。据不完全统计，在现代建筑中，照明系统对能源的消耗占的比例较大，因此，楼宇电气照明节能技术的理论及应用研究已经成为建筑电气综合节能研究内容之一。本设计以学校路灯照明控制系统设计为例，研究并设计出一套基于云平台的校园照明控制系统，该系统详细介绍了控制系统的总体设计方案、硬件电路设备选型、云处理网络平台与通信协议编写及软件系统的设计内容等。

1 方案设计

本设计是基于云平台和arduino微控制器板进行控制的校园照明智能控制系统。适用于校园路灯、图书馆等校园照明系统的控制，可以有效地减少能源的消耗，提高灯光系统的利用效率。

借助智能控制算法和云平台等先进技术，对路灯照明实现智能化控制管理，本控制系统设置两路控制通道，一路是自动控制，将智能控制算法（根据节气的变换自动设定开关灯的时间）植入云端服务器，通过WiFi模块与控制器进行数据互传，控制器接收到采集电路的信息，将其发送至云端服务器，云端服务器通过分析处理将命令信号回传至控制器，控制器再将命令信号传送至执行机构，控制执行机构的动作；一路是手动控制，在手机上开发一个APP，与云端服务器相连，如果遇到阴雨大雾或者雾霾天气等特殊情况，可以实现一部手机在手就可以随时随地掌控照明状况，并制作出方案模型，借助各种软硬件平台进行调试，以达到预期目的[1]。

2 硬件设计

2.1 系统的整体设计

根据设计方案分析，本系统由arduino mega 2560单片机控制器，光线传感器模块、热释人体红外传感器模块、控制输入模块、电源模块、WiFi控制模块构成。校园的照明控制系统的工作原理是检测校园中的光线强度、使用情况，具有自动及远程调节光照强度以及灯具开关的系统。系统的组成部分应包括：光线驱动信号采集电路、模数信号转换电路、人体存在信号采集电路、微控制器控制电路、显示电路、按键电路、WiFi远程控制电路以及灯光控制电路。

2.2 单片机的选择

arduino mega 2560微控制器板是一个用ATmega2560单片机为控制核心的微控制器板。基于开源平台，可获得基于知识共享开放的源代码和电路设计。不需要过多的外设电路，自带直流宽电压输入，USB供电等多种供电方式，arduino开源共享平台，此微控制器对环境要求不严格，对外设兼容度较高，性能优良，开发及二次开发成本较低，故选择arduino mega 2560微控制器为较合理的选择。

2.3 传感器的选择

2.3.1 人体信号傳感器的选择

热释红外感应模块，用来检测校园内是否有人体发出的红外线，判断校园某段检测范围内是否有人。从而决定是否进行此段路灯的光照强度自动控制，是数据采集的核心模块之一。

2.3.2 光照强度信号传感器的选择

光照强度传感器模块主要由光敏电阻、电压比较芯片两部分构成。

光敏电阻也可叫作光导管，常用各种光敏金属、光敏金属化合物制作而成，常见的制作材料有硫化金属（硫化镉、硫化铝、硫化铅、硫化铋）。这些材料因为在特定波长的光照射下，具有电阻值迅速变化的特性。这是由于在光线的照射下电子奔向电源的正极，电源的负极产生空穴，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

电压比较芯片采用LM393芯片，其工作电压较宽，2～36 V均可工作，在本系统中，在5 V的电压下工作，其作用为比较电位器与光敏电阻的阻值，以确保系统在光照低于阈值时可得到信号，控制灯光控制模块进行开灯。

2.4 WiFi控制模块

WiFi控制模块可以通过WiFi通道实现对灯光的远程控制，包括对灯光的开关控制、亮度调节以及颜色自由组合变换，本系统定义当云端灯光控制系统下“0”时，灯光关闭，“1”时开启随着数字的增加，来对应增加灯光的亮度，以此来完成对灯光亮度的调节，这是WiFi模块独有的可以对灯光进行远程操作的功能[2]。

3 软件设计

3.1 控制系统软件设计概述

基于单片机的校园照明控制系统，按模块可分为信号采集主程序和命令处理子程序。子程序主要分为初始化子程序、中断函数子程序、功能主程序，它们之间以互相嵌套和调用，即中断函数子程序可以调用功能子程序。根据传感器的信号进行所对应的控制信号输出，它按各种所需要的预设情境再细分为不同的子程序模块，它一般是从主程序进入，执行完所需的命令操作后返回主函数，从而使主程序一直在运行。

3.2 环境光采集模块的设计

利用传感器把微控制器所需要的电信号从环境的光照强度中采集并转化而来。传感器除了利用光敏二极管把所需的电信号从环境光中获取而来，还具有对所输出的电信号进行整流、稳压、放大等功能，使输出信号稳定，且利于采集。

本系统逻辑定义为：环境光亮时为逻辑“0”（符合光采集电路输出信号状态），暗时为“1”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为“1”，关灯为“0”。

3.3 云端远程控制的设计

云端远程控制的开发是通过手机APP远程控制WiFi模块。

首先需要烧录好固件的WiFi模块，一部安装了本系统配套的APP的安卓智能手机，一根TTL线。由于不需要运行AT指令，因此，RXD--UTXD，TXD--URXD可以不接，只需模块开机，手机识别到WiFi热点即可，所以模块的GPIO0这个引脚可不接。用手机搜索热点，带有ESP字符的名字，就是本系统模块产生的热点，连接上它（密码默认为是123456789）。连接成功后打开APP界面，点击热点名称进入控制页面[3]。

4 系统的调试

控制系统在完成硬件及软件部分设计后，要进行实验性运行调试，排除硬件及软件在设计过程中的缺陷以及排查硬件电路的故障，检验控制系统是否可以可靠及稳定地运行。本次控制系统的调试主要分两个步骤：arduino微控制器板的系统调试（硬件调试和软件调试）及整个控制系统试运行调试。

本系统使用8266模块与云端相联，协议使用的是MQTT协议，通过实际联调可以实现监控功能和远程自检功能。云端测试采用的是百度云提供的物接入服务，在项目列表创建项目，通过百度云提供的信息，登录MQTT服务器，发布订阅主题。在测试端通过发布主题数据进行测试。

发布“0”，实现关灯效果。通过在云端发布不同的指令，会发生相应的亮度强弱，灯光颜色的变化。亮度数值越小越亮，测试值返回“1”，说明灯没有故障。当光度数值大于500时，测试值返回“0”，说明光线暗，灯出現故障[4-5]。

5 结语

本课题对校园智能照明控制系统进行了设计与研究，通过相关电路的驱动，完成对系统设备（电灯）的控制，采用一个显示器显示整个系统的工作状态，实现了对校园照明的自动开灯、关灯控制、远程监测故障控制，还设置了手动模式，以备偶尔出现故障时，采用手动操纵，不至于影响校园照明的正常应用。充分利用了云平台的技术优势，实现了移动端远程监控功能，安全性高，可靠性好，具有非常广泛的应用前景。

[参考文献]

[1]王伟.分布式智能照明系统及其控制算法的研究[D].成都：电子科技大学，2017.

[2]方东.基于云平台的LED智能照明系统设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2016.

[3]LEE H S，KWON S Y，LIM J H.A Development of a lighting control system based on context-awareness for the improvement of learning efficiency in classroom[J].Wireless Personal Communications，2015（1）：165-181.

[4]赖思恩.基于物联网的智能楼宇舒适性节能照明系统研究[D].杭州：浙江理工大学，2014.

[5]CAICEDO D，PANDHARIPANDE A，FMJ W.Daylight-adaptive lighting control using light sensor calibration prior-information[J].Energy & Buildings，2014（2）：105-114.