基于單片機技術的家庭智能燈光節點控制器的設計

周慶華

(安徽工業職業技術學院，安徽 銅陵 244000)

結合目前的IT和通信行業的發展變化，本文重點設計了一種用于普通家庭智能燈光控制系統的節點控制器.它使用WIFI作為與上位機的通信手段，使用低成本的單片機作為接收指令和調光控制手段，再配上人體熱釋紅外傳感器作為節能信息來源.

本文所設計的控制器從家庭使用成本角度考慮，只對熒光燈進行開關控制，不進行調光控制.LED光源是這些年的新寵，并且正在被家庭所接受，故本控制器考慮了LED的調光控制.

1 智能燈光控制系統

以當前家庭網絡的結構為背景，以實用和低成本為前提，重新構思了燈光控制系統的結構.系統整體的配置和控制策略位于上位機，但與以往不同的是，本文所設計的系統，沒有通常大型燈光系統中需要長時間開機的上位機，在本系統中，上位機就是家中的PC或者筆記本、平板等設備，不需要長時間開機；手機和平板同時也提供了非常友好的人機控制界面；控制從節點通過WIFI網絡與上位機通信，記憶狀態信息以及時間控制信息，并對實際的燈光進行控制.系統的結構圖如圖1.

圖1 基于WIFI和單片機的家庭智能燈光控制系統

圖中控制節點僅繪制了一組，實際應用時要根據家庭面積的大小和燈光分布情況布署幾個或者幾十個從節點控制器.整個系統使用Adhoc協議組網.在這個系統中，開關類的燈光，每個從節點控制器可以控制1～8組；調光類燈光，可控制2路.

2 從節點控制器的硬件設計

2.1 從節點控制器整體結構

從節點控制器(以下簡稱控制器)在系統中的功能包括WIFI通信、控制信息記憶、燈光控制，燈光的控制又分為開關控制、交流調光控制、直流PWM控制.其結構框圖如圖2所示.

圖2 從節點控制器結構框圖

2.2 微處理器選擇

根據功能需求，控制器的處理器選擇STC公司的STC12C5206PWM.STC公司12系列芯片高速、高可靠，低功耗、低價，強抗靜電、抗干擾.所選型號的處理器有一個串行通信口，有片內的EEPROM存儲功能，程序和數據可共用的存儲空間總容量有6K，有2路PWM控制.這款芯片非常適用于本文描述的系統.

2.3 WIFI通信

小批量的試驗中WIFI通信可以使用市場上的Uart-WIFI模塊，這些模塊是基于Uart接口的符合WIFI無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口數據到無線網絡之間的轉換，并且支持Adhoc協議.在安全通信方面，支持多種安全認證機制，包括WEP64/WEP128/TKIP/CCMP(AES)、WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK等.通過Uart-WIFI模塊，傳統的串口設備能輕松接入無線網絡.CPU和模塊之間的連線如圖3.

圖3 單片機和WIFI模塊的連接

2.4 交流調光

對于交流燈光的調光控制，主要是指白熾燈的調光，可以使用經典的可控硅控制方式，這種控制簡便可靠.通過單片機控制可控硅的導通時間，從而達到控制亮度的目的.這其中需要進行零點檢測，正常的市電波形如圖4的(a)圖，過零檢測電路需要在(b)圖所示位置產生相應的過零信號提供給單片機，單片機再以此為基礎通過程序控制(c)圖中T的寬度，再在設定的時間寬度后發出控制脈沖，使可控硅導通.T的寬度不同，則可控硅導通角就不同，如(d)圖中陰影所示，以此達到控制白熾燈亮度的目的具體的控制電路如圖5.

圖4 交流調光原理

圖5 交流調光電路

2.5 直流PWM調光

直流調光主要是針對目前非常受歡迎的LED燈光，近些年出現的大功率LED發光器件，在亮度和色溫方面都能達到令人滿意的效果，同時又非常的節能，LED的發光功率因數高，通常所說的36W的日光燈，實際輸入功率約45W，而17W的LED燈，實際輸入功率僅約18W.我們常見的1WLED燈，其亮度大約相當于3W的節能燈或者15W的白熾燈的亮度；3W的LED燈，大約相當于9W的節能燈或者40W白熾燈的亮度.是比較好的新一代家庭光源替代者.

對于LED燈的調光，通?？梢允褂媚M線性控制和PWM兩種方式調光.線性控制主要是對LED的驅動電源進行線性控制，對LED壽命影響小，無電磁干擾，但會影響色溫.PWM即脈沖寬度調制，這種方法通過調節單位時間內脈沖寬度，達到控制亮度的目的，這種方法一般要將控制頻率至少提高到120KHz以上才不會讓人眼有閃爍的感覺，因此會有電磁干擾并且對LED的壽命有一定的影響.但PWM方式響應速度快，調光精度高，得到廣泛應用.

對LED調光的同時需要考慮另外一個重要內容就是LED的恒流控制，超過額定值的電流會嚴重減少LED的壽命.所以需要將工作電流可靠地控制在LED額定電流值范圍以內.

圖6 PWM調光電路

本文設計的控制器，使用BP1360恒流驅動芯片，這種芯片外圍元件少，輸入電壓寬，從5V到30V均可，輸出電流大，單顆LED最大電流可達600mA，具體的電流值通過采樣電阻設定.電流控制精度比較高，為±3%.芯片有一個DIM引腳，可接受0.5～2.5V的模擬調光和最高頻率為50KHz的PWM信號.具體的電路如圖6所示.

在這個控制電路中，BP1360和電感(L)、電流采樣電阻(RS)形成一個自振蕩的連續電感電流模式的降壓型恒流LED控制器.VIN上電時，電感(L)和電流采樣電阻(RS)的初始電流為零，LED輸出電流也為零.這時候，CS比較器的輸出為高，內部功率開關導通，SW的電位為低.電流通過電感(L)、電流采樣電阻(RS)、LED和內部功率開關從VIN流到地，電流上升的斜率由VIN、電感(L)和LED壓降決定，在RS上產生一個壓差VCS，當(VIN-VCS)>115mV時，CS比較器的輸出變低，內部功率開關關斷，電流以另一個斜率流過電感(L)、電流采樣電阻(RS)、LED和肖特基二極管(D)，當(VIN-VCS)<85mV時，功率開關重新打開，這樣使得在LED上的平均電流為：

BP1360可以在DIM管腳加PWM信號進行調光，DIM管腳電壓低于0.3V關斷LED電流，關斷期間，內部穩壓電路保持待機工作，靜態電流僅為100uA.DIM管腳高于2.5V全部打開LED電流，PWM調光的頻率范圍從100Hz到20KHz以上.最大LED電流由采樣電阻RS決定.此外，為了保證可靠性，BP1360內部包含過熱保護功能(TSD).當工作電壓為20V，被控制的LED燈分別為1×1W、3×1W、5×1W時，對應的工作電流分別約為310mA、330mA、360mA.

2.6 其它功能單元

(1)人體紅外探測與室內亮度檢測.人體體溫在37℃左右，會發出波長10um左右的紅外線.人體輻射出的紅外光線一般需要經過菲涅耳透鏡匯集在PIR探測元上，當人體移動時，紅外輻射強度發生變化，探測元表面的電荷強度發生變化，經內部場效應管放大就有信號輸出.熱釋電紅外探測模塊采用熱釋電專用控制集成電路處理，一般使用BISS0001型集成電路.它集成電路內置獨立的高輸入阻抗運算放大器，對紅外信號進行預處理.詳細電路不再描述.

(2)時鐘單元.因為所設計系統上位機多數時間為關機狀態，因此從節點控制器需要有自己的時間單元，以比較準確的時間為依據，執行一些時間控制命令.每當與上位機聯機時，自動從上位機讀取準確時間，并自己校準自己的時間系統.時鐘電路使用簡單易用的DS1302即可，這個芯片雖然不是非常準確，但其價格低廉使用方便，加上自動校時程序即可.

(3)其它燈光的開關控制.對于普通的開關控制，主要是針對不可調光的熒光燈，功率設計在100W以下，控制電路就是將圖5所示電路進行簡化，不需要零點檢測電路，保留光耦MOC3022電路組，即可實現普通節能燈的開或者關.

3 控制器的軟件設計

本文討論的是整個家庭智能燈光控制系統中的從節點控制器的設計，因此這里只描述控制器芯片內的軟件設計.整個系統可以通過智能終端進行整體設置與控制，也可以讓控制器處于自動工作狀態.從單個的控制器的角度，對它的軟件功能提出以下要求.

首先要能正確解讀來自WIFI口的上位機控制指令.上位機傳來的指令分為三類，一種是立即指令，一般為單字節指令，就是立刻需要做開或者關的操作，以及調光控制.也包括控制器工作模式的切換指令；第二種是延時指令，是指在多長時間以后需要執行的指令，此為多字節指令，除了要執行的指令，還包含指令執行的時間.第三種是時間校正指令，包含當前準確的時間信息，控制器收到后，立刻校正自己的時鐘.時間單元應有電池進行掉電時間保護.

其次是工作模式的選擇.有兩種工作模式，一是上位機控制模式下工作，但控制器可以檢測上位機在軟件權限上是否允許“探測無人關閉”動作，如果允許，再根據探測的結果做適當延時后，自行關閉所控制光源；二是控制器處于無上位機自動工作模式，每個控制器都連接有一個或者若干個人體紅外探測器，以及光敏電阻構成的室內亮度檢測，在第二種模式下控制器根據室內人員狀況和亮度狀況自行決定是否打開相應的燈光.

再者，整個模塊不工作時，要能讓主要部件處于休眠狀態，并且還可以進一步切斷所有子單元的工作電源，這其中就要求電路要記住尚未完成的延時類指令，在下一次開機時判斷是否有指令需要繼續執行.

智能家居系統是一個美好，并且必定能實現的理想，其中智能燈光控制是目前最為實用的子系統之一.本文設計的目標就是實現兩個低：低成本、低能耗.做到最大程度的能耗控制，使整個燈光系統達到最節能的狀態.

參考文獻：

[1]緱新科，王娟.基于單片機的LED室內照明控制系統[J].工業儀表與自動化，2013(1)：36-38.

[2]陳宜建.基于PIC單片機的LED照明控制器設計[J].電子產品世界，2013(3)：39-42.

[3]李松寧.LED調光設計方案淺析[J].現代顯示，2012(11)：11-14.