光照度传感器在智能家居照明系统中的应用
2022-10-12钟柱培
钟柱培
东莞理工学校, 广东东莞 523000
0 前言
随着物联网技术的高速发展和居民对生活质量要求的提高,越来越多的家居设备变得更加智能,传统家居正逐渐被智能家居所取代,智能家居行业得到了空前发展。智能照明系统作为智能家居系统的一个重要子系统,具有高效节能、管理简单、控制多样化、控制成本低等特点。智能照明技术在智能家居中得到应用和推广,进一步促进智能家居数字智能化的发展,让人们的日常生活更舒适、更便利。光照度传感器是智能照明系统中的核心光感模块,它可以根据环境测定的光强度值设定不同的场景,以满足人们日常生活便利的需要。
1 光照度传感器的工作原理
光照度传感器是基于光的原理发展的,是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器[1]。它采用热点效应原理,通过对弱光性有较高反应的探测部件工作,就像相机的感光矩阵一样,内部有绕线电镀式多接点热电堆,其表面涂有高吸收率的黑色涂层,热接点在感应面上,而冷结点则位于机体内,冷热接点产生温差电动势,在线性范围内,输出与可见光照射度成正比的电信号。光照度传感器具体工作过程为:可见光通过滤光片过滤后照射到光敏元件上,光敏元件根据光照度大小转换成电信号,电信号经过放大进入传感器的处理器系统处理后,输出需要得到的二进制电信号[2]。
光照度传感器按输出信号可分为有线输出和无线输出2种方式。有线输出方式是指光照度传感器输出信号通过RS485总线与外界通信,实现其自动控制的目的,其内部结构框图如图1所示[3];而无线输出方式是指光照度传感器将光信号精准转化为模拟电信号,再经过ADC转换成数字信号,最后通过I2C与ZigBee模组通信,把光照度值上传给网关、云端,最后到达用户手机App上显示,其内部结构图如图2所示[4]。
2 光照度传感器在智能家居照明系统中的作用
随着科技的进步和现代生活的快速发展,照明系统应用中简单的开关控制已不能满足人们日常生活的需求。在万物互联的时代背景下,照明系统控制也要实现智能化,以满足人们实际应用的需求。本文采用无线式的光照度传感器(TLGT101W-C1),实物图如图3所示,传感器电路板如图4所示。该光照度传感器主要由传感检测处理模块和ZigBee通讯模块2部分组成。其中,光照检测处理模块是至关重要的一环,通过传感器内置的光敏元件,能够将微弱变化的光信号转换为电信号,经放大、滤波、比较等处理后传入ZigBee模块,最后以无线形式传输到智能网关主控制器进行逻辑分析与判断,以按照人们的要求控制相关的终端设备[5]。光照控制系统示意图如图5所示。
无线光照度传感器其实是一个基于ZigBee技术的光照度传感器。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术,其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准,网络层由ZigBee技术联盟制定,应用层的开发根据用户自己的需要对其进行开发利用,因此,该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式[6]。
3 光照度传感器在智能家居照明系统中的应用
在智能家居照明系统中,应用光照度传感器对环境光照度进行实时的数据收集无线传输,显示并自动调节灯、窗帘等家居终端设备,构建一个舒适方便的环境,满足人们日常生活便利的需要。光照度传感器在智能家居照明系统中安装与调试如下。
3.1 光照度传感器的安装
光照度传感器应安装在四周空旷、感应面以上没有任何障碍物的地方,将探测面对着被检测环境需要检测的部分。安装步骤如下:先把传感器的底部支架通过螺丝固定在天花板上,再把传感器顺时针方向螺旋转到支架上,安装图解如图6所示[7]。安装固定后,插上充电线即能启动光照度传感器。
3.2 光照度传感器的调试
3.2.1 光照度传感器设置
在网关允许入网条件下,打开智慧家居App和彩灯App,短按光照度传感器RESET键一下,绿灯闪烁进入找网状态,当光照度传感器绿色指示灯熄灭说明入网成功,可在设备列表里面看到入网成功的光照度传感器,如图7和图8所示[8]。
使用抓包软件Ubiqu抓包,抓包流程如图9所示,入网时会上报光照度值等[9]。
抓包图片指令说明:
(1)由设备发出,请求入网,设备一般会全信道扫描找网;
(2)设备关联请求入网;
(3)设备数据请求,时长一般为60 s左右;
(4)查看到给设备分配的短地址;
(5)传输key;
(6)设备向网关广播;
(7)网关回应设备,此时设备已经入网,但网关还没有识别设备相关信息,如图10所示:
(8)网关向设备发出的节点请求,设备给网关回应的节点数,如图11所示:
(9)网关请求设备的描述符,设备回应网关描述符,如图12所示[10]:
(10)设备入网结束,并在App上显示该设备;
(11)状态变更通知;
(12)状态恢复通知;
(13)电量上报;
(14)查看光照度值。
短按光照度传感器RESET键一下,绿灯闪烁,表示光照度传感器已经退出ZigBee 网络,也可以在App上退网。
3.2.2 光照度传感器测试
当光照度传感器安装完成并入网成功后,光照度传感器就进入了工作状态,会实时地检测室内的温湿度并上报到手机,打开手机App的设备详情就可以看见上报的数据,如图13所示[11]。
3.2.3 光照度传感器联动运行
在App智能界面上添加条件为设备联动,添加的条件为光照度传感器,设置光照度值(Lux),添加的动作为需要联动的场景。先设置太暗了、太亮了2个场景,当光照度值小于50 Lux值绑定提高灯的亮度场景,光照度值大于50 Lux绑定降低灯的亮度场景,如光照度值达到设定值时触发对应绑定的场景。
(1)场景设定:在App智能初始界面上点击场景,可以对场景进行配置,如图14所示。
点击场景列表界面右上角的配置,在弹出来的界面窗口中点击场景配置,并输入管理员密码就可以进行新场景配置,如图15所示,新场景配置主要配置场景名称,这里输入的内容是根据情景的内容分析进行命名为“太暗了”,并勾选编辑设备中的彩灯,把它的开光设置为“on”,如图16所示,点击彩灯右上角进入彩灯设置,滑动底部滑条对亮度进行调配,滑动到右边把亮度调高,点击保存,如图17所示,添加新场景完成,并可在场景列表中看到刚才新添加的“太暗了”的场景[12]。
同理,添加“太亮了”的场景,并在场景列表中可以看到这2个新加进来的场景,如图18所示。
(2)场景联动:在App智能界面上添加条件为设备联动,添加的条件为光照度传感器,因此需要进入光照度传感器的“设备详情”添加智能联动,如图19所示[13]。点击智能联动进入智能联动配置,包括联动命名与触发条件和添加需要联动的场景。根据情景分析,这里设置联动任务名为“太暗了”,触发条件为光照度传感器的状态“小于”“50”,选择联动场景为“太暗了”,如图20所示。
同理,设置联动任务名为“太亮了”,触发条件为光照度传感器的状态“大于”“50”,选择联动场景为“太亮了”,如图21所示。添加完成可以在智能联动界面看到这2个联动任务的情况,如图22所示[14]。
至此,对智慧教室系统联动配置完成,当光照度值小于50 Lux值绑定提高灯的亮度场景,光照度值大于50Lux绑定降低灯的亮度场景。
3.3 智能照明系统故障检修
智能照明系统出现故障时,针对故障进行分析,初步确定所在的位置,再运用所学专业知识,软件与硬件相结合方式进行,这里主要介绍针对光照度传感器出现故障的几种情况进行检修,具体方法如表1所示:
表1 物联网光照度传感器的检修
4 结束语
光照度传感器应用于智能家居照明系统中,通过光照度传感器将环境光照信息转化为模拟电信号,再经过ADC转换成数字信号,通过I2C与ZigBee模组通信,把光照度值上传给网关、云端和用户手机App,从而实现智能家居照明系统智能化的控制,让人们的生活环境更加舒适便利。随着科技进步和智能化发展,在工农业生产、气象、环保、国防、科研等领域都需要对光照度的检测与控制,光照度传感器的应用会越来越多,越来越广[15]。