灯光智能控制系统的设计

钟竟瑜

（兰州博文科技学院 电信工程系，甘肃 兰州 730101）

目前，本学院教学楼的灯光控制方式为时间控制，该方式需要电工人员按春季学期和秋季学期的日出时间进行设置，每隔半个月前往电缆井手动操作调试。这种控制方式无法兼顾外界环境因素的影响，如遇刮风下雨阴天等自然环境，系统仍按既定时间亮灯、关灯，势必会因教室光线不足而影响教学效果；又如在天气晴朗的情况下，上午关灯时间过晚，下午亮灯时间过早，又会造成电能的浪费。这种传统的灯光控制方法，既浪费人力，又浪费能源，还达不到有效的教室照明效果。

现有的灯光智能控制系统，如室内灯光智能控制装置，其功能可谓非常强大，控制方式也非常全面，但并未得到普及和推广，也存在一定弊端，如费用较高。大型室内灯光控制系统，其功能繁多，若用于教室灯光控制会华而不实，又因为施工时需采用低压综合布线，施工难度大，实际应用中操作复杂、故障率高，检修难度大，此外若通过手机APP连接实现的灯光控制会受网络限制，因为需在控制系统中内置Wi-Fi，但电缆井或控制总阀一般都在地下一层或以下，或为了防止人为破坏保障其安全性，都会使用密闭性较强的门窗并加固墙体，因此在这些场所网络信号普遍较弱，且以上系统造价较高。因此需要设计一种适用于本学院的，可行性、实用性、推广性和针对性都较高的灯光智能控制系统。

1 系统方案设计及选型

本系统需要实现时间控制、光感控制、数字显示，以及出现故障及时报错的信息提示，以增加系统的可靠性和安全性。具体需求为在时间控制的前提下考虑自然光对室内的影响，若灭灯的预设时间未到，而自然光已能满足室内照明要求，则通过光敏传感器输送的信号，将灯光关闭；若亮灯时间未到，而因天气环境等因素影响，室内照明过暗，则通过光敏传感器输送的信号，将灯光点亮。此外若该系统出现电源电力不足等故障时，应通过显示器给出报错信息。

因该系统使用的环境即每间教室的光线不同，故需为每间教室针对性地分别配置一套该系统，在考虑低成本和低功耗的前提下，系统设计和选型如图1所示。

图1 灯光智能控制系统框图

主控芯片选择微控制器MSP430F5528。比起STM32来说，其优势在于价格低、超低功耗、功能齐全和稳定性高。因为本系统的应用场景为教室以及图书馆，数量较多，在考虑性价比的情况下，使用微控制器MSP430F5528能在完全满足系统要求的前提下，降低造价成本以及使用的过程中的能耗。

MSP430F5528微控制器有USB接口、16位定时器（4个）、高性能12位模数转换器、2个通用串行口和具有报警功能的实时时钟模块等，可满足本设计需求且基本无资源浪费。其引脚及系统连线如图2所示。

图2 主控芯片引脚及连接图

光敏传感器需要三路，型号为FPD333-3B/L3，分别放置在教室内前、中、后三个位置，用于从不同角度采集自然光线，采集后由各自采集的信号（SIG）引脚送至运放LM324（该芯片有四路运放）的1IN+、2IN+、3IN+引脚，如图3所示，LM324将信号放大后由1OUT、2OUT、3OUT引脚送至MSP430F5528的ADC1、ADC2、ADC3（ADC4预留可用于后期的系统扩展），三路信号进入微控制器内部后，经过A/D转换再进行判决，判决方式为3取2，用于决定室内灯光的亮灭。

图3 三路光敏传感器与LM324的连接图

时钟信号选择实时时钟（RTC）DS1307，用于跟踪当前时间和日期，该芯片支持I2C协议，该芯片功耗低，振荡频率为32.768kHz，可精准定时一天的时间（24 h）误差很小，并将时间显示在COG显示器上。如图4所示，时钟信号经SCL引脚送入MSP430F5528的P1.3引脚，SDA也与微控制器的P1.4引脚相连。

图4 DS1307引脚图

按键模块用于进行时间设置，如图5所示，其P2.1和P2.3引脚与微控制器的同名端相连，通过KEY3进行时间的设置和定时的设置，KEY4可进行确认和取消时间和定时设置。

图5 按键电路图

显示器使用COG液晶屏，它具有低功耗的特点，故能与低功耗微控制器MSP430F5528搭配，通过使用COG（用于时间显示及定时显示），可实现时间和自然光对灯光的并行控制。如图6所示，COG的8、9、10、11、12引脚接至MSP430F5528的20、41、30、31、26上，实现时间设置的显示及定时控制的显示。

图6 COG显示器电路图

供电模块采用USB和电池模式供电，USB供电模式下采用Micro-USB如图7所示，图中VBUS、VUSB、USB n、USB p与微控制器同名端相连（此供电模式预留用于系统检测时供电）。实际应用时使用电池供电，当为电池供电时，采用两节7#电池（3 V），将其升至5 V电压送入Micro-USB的输入端供电。KEY1用于进行电池的管理对电池电量进行检测。

图7 电源电路1

另外还有如图8所示的电路与微控制器相应的引脚连接，给微控制器MSP430F5528供电及提供保护。其中图8（a）是复位电路，按键KEY2用于对微控制器MSP430F5528进行复位。图8（b）（c）是时钟电路，用于给微控制器MSP430F5528提供时钟信号，使其稳定有序地工作。它们整体构成了微控制器MSP430F5528的最小系统。

图8 电源电路2

继电器选择HLS8L-DC3V-S-C，工作电流为10 A，如图9所示，将微控制器MSP430F5528输出的电平信号经P1.5引脚送入继电器的D1引脚，控制继电器的打开和闭合，从而控制室内灯光的亮灭。

图9 继电器引脚图

2 结束语

整套系统外加包装壳，预计大小在10 cm×10 cm左右内，成本在100元以内，如果批量生产（以10件起制作）成本还能节省20%。

整个设计基本满足系统需求，同时为更好地体现时间控制方面的智能化，需要充分考虑一年内当地的天气情况，通过统计分析得出一年中不同时间段对灯光控制的时间区间，具体统计方法可通过使用Bartlett's球状检验，进行因子分析，通过使用SPSS软件计算进而得到方差贡献率矩阵，利用GM（1，1）模型对该城市的气候指数进行分析，通过建立多元线性回归模型对当地的天气情况做基本预测，由此提供系统控制的多个有效时间段。最后选择相对来说电荷负载不太大的学生宿舍作为测试地点，可先选择一间进而在一层楼进行测验，以确保验证的有效性和可靠性。