基于物联网的高校智能照明系统的设计

王华杰，郑来芳

（太原工业学院电子工程系，山西太原 030008）

高校图书馆成为了学生们最喜爱的学习场所，也是使用最频繁、人员聚集数量最大，能源需求极高的场所。能源的枯竭，要在设计中考虑到，利用自然光照与人工照明高效的结合，是节能的重要方法之一。[1]当图书馆内的师生们处于一个合理且舒适的学习环境，那样不仅仅对人们的视力起到保护作用，而且会延长其注意力集中的时间，以提高学习者的效率。所以，在图书馆的传统照明的设计理念中，加入互联网和通信技术，使得图书馆照明系统变得更加节能、舒适、灵活，进而满足人们的光照要求并对人们产生积极影响，这一技术的实现无疑是有一定的积极影响和现实意义[2]。

随着网络的覆盖率变的更广泛、通讯方式的速度越来越快，轻松地实现了远程控制，此类系统迅速出现在市场之中，其可靠性高、功耗低等方面比较受到用户的青睐，本文提出了一种以单片机为主控制模块，将光敏元件、声控元件接收的数据传送到主机，主机将发指令来控制灯的开关和亮灭，还可以设置时间来控制所有的灯关掉，还可以通过手机app 发送指令经WiFi 模块到主机来远程控制灯的亮灭，用户可以更及时、更快捷地实现所有灯的亮灭，满足了图书馆的大面积关灯不需要耗费大量人力的需求。

1 智能照明系统的整体构架

就某一高校图书馆作息时间安排设计该智能照明系统。对图书馆照明控制系统设计中，在图书馆内不同的区域对照明不同需求进行了区域划分；针对图书馆各区域功能的不同，需要设计不同的照明功能，因此需要对图书馆内不同区域实现不同的控制效果，灯具区域分布如图1 所示，其中A、B、C、D 为学习区域，学生主要在该区域学习读书，E为楼道、大厅等公共区域，F 为楼梯区域；系统针对光照环境的变化自动调节达到舒适的学习环境，此系统也可人为远程控制，并且实现了方便、简易操作。

图1 照明区域分布图

为满足上述要求且根据日从东方而出西方而落的自然规律，为了避免不必要的能源浪费，本文设定冬天并且是晴天的照明规律为上午7 点至8 点A、B、C、D、E 五个区域灯全部照亮；当8 点至9 点这个时间段时，太阳已经开始照亮B 这片区域，此时B、E 区域灯自动关闭，A、C、D 区域继续实现照明功能；8：30点至16：30 之间自然光照充足；当到了16:30～17:30时，B、C、D 区域开始照明工作；17.30～22:00 时，A、B、C、D、E、F 所有照明灯具进行工作，其中F 区域灯具需要声音控制才能工作，且所有灯亮度随环境自动调节，以达到舒适的照明环境。当出现特殊情况，例如阴天，需要人为操控时，此时只需要通过手机APP输入指令就可控制所有灯具，并可调节灯具亮度达到需要的照明程度。正常来说在22点就应该关闭图书馆，但是由于传统照明开关多遍布位置不同，需要管理人员四处走动才能关闭所有灯具，为了方便管理，只需要在手机APP 上输入一条指令即可关闭所有灯具，如此操作简单方便，节约时间。其系统框架如图2所示。

图2 系统框架图

2 系统硬件电路设计

本设计以STC89C52RC 单片机作为核心处理模块，STC89C52RC 是由宏晶公司采用Flash 存储器技术制造的完全兼容了MCS-51，具有高密度且非易失的特点，在单个芯片中将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合，正是因为这些特点使得可以很快被中国广大用户接受[3]。此系列的单片机的程序可擦写特性，用户在系统开发与试验上都较容易，为很多嵌入式控制系统提供了一种性价比很高的方案。

2.1 最小系统设计

最小系统由复位电路、晶振电路、电源电路等组成。

2.2 光敏传感器模块

传感器是一种测量元件或设备的工具，它可以将需要测量的量转换成有一定精度的特定的物理量。传感器的特点是具有高性能和高精度内部参数。大多数传感器组成如图3所示。

图3 传感器组成框图

光敏传感器通俗的讲就是将光信号转变为电信号的传感器。为了实现保护人们视力的同时营造一个舒适的光照环境，本系统采用光敏电阻实现自动调节光照强度的功能，光敏电阻在不同的光照强度的条件下，电阻值变化比较大，系统根据阻值的变化转换为相应的电流变化[4]。通过模拟信号转数字信号转换器，将光带来的电流变化的模拟信号转换成数字信号传输给单片机并进行相应控制。其电路图连接如图4所示。

图4 光敏传感电路图

2.3 Wi-Fi模块

ESP8266 是有一套完整的Wi-Fi 网络功能，其低功耗、紧凑的设计以及其高稳定性可以最大限度的满足用户需求[5]。E103-W01 是有超高性价比的串口转Wi-Fi 模块，该模块具有模块与模块通信、模块与Server通信以及模块与Client通信的三种使用方法[6]。本系统通过无线路由器连接到网络，建立TCP或UDP Server 侦听连接信号，实现了通过连接模块服务器与之通信。

2.4 实时时钟模块

在现代的电子设备之中，实时时钟电路在目前的电子设计领域中是不可缺少的。实时时钟模块可以实现精确计时。时钟电路还有相应的电源管理的功能，可以实现如果主电源切断的情况与可以与备用电源进行无缝切换，这样可以保证了该电路的时间的准确性；当主电源在正常供电的时候，还能为备用电源充电，确保该电路的可靠性。该时钟为智能照明系统提供准确的北京时间来实现智能时间控制。

2.5 声控模块

声控模块是通过声响震动效果触发拾音器，将声信号转换成电信号来控制用电器的开启，并经过一段时间的延迟后自动断开电子开关，只有经过声响才能再次开启。该控制电路主要应用于楼梯内的灯光控制免能源浪费的同时为人们提供照明，其电路如图5所示。

图5 声控模块电路

2.6 液晶显示模块

LCDl602 液晶显示屏是一种显示字符的液晶显示器[7]，因为LCDl602操作简单并且价格比较低，所以被人们广泛应用，该液晶显示屏主要用来显示时间、工作状态和周遭环境亮度，可更好的反馈手机控制后的运行结果，也方便监测。

3 智能照明系统的软件设计

本系统软件设计主要由两个方面组成：一是定时模式，定时开关灯，自动调节亮度。二是手动模式，手机Wi-Fi远程控制所有灯的照明情况。

3.1 定时模式下功能软件设计

定时模式下照明系统能通过对实时时钟进行时间的设置后传递给单片机，到达预设的时间后单片机发送指令控制灯的开关，如果灯是开着的状态还可以根据环境亮度自动调节自身亮度。其程序流程图如图6所示。

图6 定时模式流程图

3.2 手动模式下功能软件设计

手动模式下的图书馆照明系统可通过手机APP发送指令，Wi-Fi 模块接收到相应的指令传递给单片机，经单片机处理后发送相应的执行指令控制不同灯的开关以及亮暗，其程序流程图如7所示。

图7 手动模式流程图

3.3 Wi-Fi模块功能软件设计

如何将Wi-Fi 模块与服务器连通是实现物联网无线通信功能的关键一步。E103-W01 通过第三种通讯方式，设置一个While 循环函数，保证WiFi 模块与路由器始终处于连接状态，系统通过单片机发送AT指令，检测WiFi模块能否正常启动，是否始终发送指令确保WiFi 模块与路由器始终处于连接状态。[8]其程序流程图如8所示。

图8 Wi-Fi功能流程图

4 结语

本文围绕基于物联网的智能照明系统进行设计，采用通过Wi-Fi连接手机APP远程控制所有灯具且在正常状态下实现智能照明，融合了Wi-Fi无线通讯技术、单片机技术、光敏传感技术、并通过各种元器件和控制电路，实现了对图书馆内的照明的智能控制。最后进行实物的功能测试，可通过手机远程控制操作，具有可靠性高、易操作的特点，达到了预期效果。随着现代科技的发展，设备的越来越智能化，本设计还存在功能不是很完善的地方，比如可以根据区域内学生的多少来确定开灯的个数，减少了人少但是灯开的多的能源的浪费，对于一年四季不同季节的的白天时长的不同和晴天阴天的光照强度不同没有做具体的分析，后续会解决这些问题，不过未来会向越来越智能化和人性化发展。