基于IOT架构的写字楼智能照明控制系统_白娜.pdf

62|电子制作 2023 年 3 月智能应用随着社会的不断发展，能源消耗也逐年递增，全球资源减少成了一个需要世界重视的问题，其中照明用电浪费现象十分严重。无论是室内照明还是城镇道路照明都存在着能源浪费现象，如办公楼、学校等场景。由于企业的发展以及教育的普及，办公楼与学校的规模也越来越大，经常会出现白天光照充足却依然开灯，且从不会因为人少而少开灯，几乎不存在人走灯灭的现象。“长明灯”现象造成了企业以及学校的经济负担。目前的科技水平，对于灯光的智能控制已经有了成熟的解决方案，但对于室内照明庞大的用电量，尤其是企业超高的办公照明用电量，却很少有企业针对这一问题设计智能照明系统。随着物联网技术的不断发展，物联网技术也应该在室内照明领域发挥出其技术优势。在我国走向智能化和工业化时代的今天，发展智能照明控制系统就变得十分迫切，也应该得到重视。1 系统的总体方案本系统依据 IOT 架构，将系统工作具体分为三层，分别是感知层、网络层和应用层。本课题系统整体方案结构框图如图 1 所示。感知层中每个照明区域都由 ESP8266 终端节点、各类传感器、LED 灯板和相关电路组成。在不同区域当传感器检测到照明区域满足相关照明条件后，传感器将对 ESP8266 终端节点发送触发信号。ESP8266 终端节点接收信号后将终端节点的数据发送给树莓派（数据包内数据为传感器采集信息等）。除此之外照度传感器实时采集并上报光照强度信息。网络层主要负责智能照明的无线传输，将树莓派与物联网平台结合，完成数据处理。其中平台由 Home Assistant担当，将数据处理后，根据用户的相应设定，作出相应的动作，即根据系统设定的属性更改区域照明的状态，对ESP8266 发送数据包，ESP8266 终端接收到数据包后对相应区域照明灯板发出 PWM 信号，结合电源调节灯板亮度，从而实现照明的智能调节1。在应用层中，用户可通过相应交互界面更改照明系统的属性、工作状态以及相应的工作时段等功能。2 系统的硬件设计本系统通过 ESP8266 终端节点控制人体红外传感器、光照强度传感器、声音传感器来获取各区域的人以及光照环境的情况，同时控制 LED 照明的工作状态，所获取的各种传感器参数通过 WiFi 组网通信传输至树莓派，树莓派同时再将采集到的数据上传至互联网，供用户通过物联网平台远程对智能照明系统进行访问和控制26。2.1 系统主控模块树莓派 ZERO 是硬件设计部分的主要控制模块。其主要工作就是对终端节点采集到的信息进行分析、处理和控制等。2.2 通信模块在智能照明控制系统中，WiFi 模块实现硬件系统和树莓派以及物联网平台的连接。本系统选用 ESP8266 来完成各个区域相关传感器与树莓派之间的数据通信，ESP8266 可以通过 AT指令配置，和主控器的串口进行基于 IOT 架构的写字楼智能照明控制系统白娜（哈尔滨石油学院，黑龙江哈尔滨，150027）摘要：本设计是基于IOT架构设计的室内照明控制系统。使用树莓派作为主控模块，系统具有三种照明区域，每个区域都由WiFi模块ESP8266、红外或声音传感器以及LED照明电路组成。不同区域的传感器检测到人员后，其将对ESP8266发送触发信号。然后ESP8266将数据发送给树莓派进行处理并返还数据包，ESP8266接收到数据包后对相应区域发出PWM信号控制LED灯板亮度。用户还可远程对所有照明区域进行控制并查看历史状态等信息。特殊情况还可在室内手动调节照明亮度。关键词：IOT架构；树莓派；WiFi模块；智能照明用户交互界面服务器主控模块照明模块无线通信模块无线通信模块环境采集传感器环境采集传感器照明模块无线通信模块环境采集传感器照明模块应用层网络层感知层图 1 系统整体方案结构框图DOI:10.16589/11-3571/|63智能应用通信，利用 WiFi 进行数据传输。通过 NodeMCU 平台对 ESP8266 芯片引脚进行拓展，这使得 ESP8266 变为一个集合了 Arduino 功能多用途的IOT 控制器，其配备了 USB 接头、LED 灯和标准数据引脚，以及与传感器或其他开发板交互的标准接口。由于 ESP8266 芯片只能承受 3.3V 的最高电压，而拓展平台供电为 5V 电压，所以需要 5V 转 3.3V 的降压电路为ESP8266 芯片进行供电。NodeMCU 平台左侧 2 引脚为 EN图 2 总体电路图64|电子制作 2023 年 3 月智能应用可触发复位操作。另外控制程序需要通过 USB 转 TTL 电路进行烧录。如图 2 所示。2.3 环境采集模块2.3.1 人体红外检测模块在写字楼内，智能照明系统主要由日光灯、声控灯组成。日光灯的控制是通过人体红外传感器模块采集室内的人员活动信号，使得主控模块可以根据人员活动情况调节照明亮度。人体红外传感器的 OUT 端与 ESP8266 的 IO12 连接，另外 VCC 和 GND 端口接入 5V 电源的正负极。本系统的模式选择为自动模式，当有人进入红外信号感应范围时，模块 OUT 输出高电平，当人离开红外信号区域，模块输出端 OUT 自动关闭高电平。如图 2 所示。2.3.2 光照强度检测模块光照环境检测电路是利用光敏材料为核心，当传感器感受到一定的光线照射，光敏电阻的阻值就会发生改变，从而实现光电转换。将 C8 瓷片电容同光敏电阻并联，再在 5V电源上接入 10k 的电阻，当光敏电阻的阻值根据光照环境变化时，并联电压也会发生变化。其中传感器 AO 引脚连接NodeMCU 的 IO 引脚，ESP8266 就可以采集到当前的光照环境状况。如图 2 所示。2.3.3 声音检测模块声音传感器对环境声音强度敏感，本系统中用来检测声控灯周围的声音强度。声控灯的控制是通过声音传感器模块采集室内的人员声音信号，使得主控模块可以根据人员声音情况调节照明亮度。模块在环境声音强度达不到设定阈值时，声音传感器 OUT 输出高电平，当外界环境声音强度超过设定阈值时，声音传感器 OUT 输出低电平。本系统中声音传感器模块上的 VCC 和 GND 接入 5V 电源正负极，OUT引脚连接 NodeMCU 的 IO12 引脚。如图 2 所示。2.4 照明模块本系统照明控制通过自锁开关将调节模式分成联网智能调节和手动亮度调节两种，在室内联网控制开关打开时，LED 照明控制由 NodeMCU 的 IO2 引脚发送的 PWM 信号控制，PWM 是利用脉冲调制信号反复开关驱动器，从而达到调节 LED 平均电流的目的，这种调光方式开关效率高，输出电流和电压稳定。而且 LED 始终在恒流条件下工作，调光范围更大。在室内联网控制开关关闭时，LED 照明控制旋钮手动调节用户可以根据室内房间的光照条件和需求进行 LED 照明的调节。如图 2 所示。3 系统软件的总体设计本系统的软件设计应用主要在 ESP8266 开发、树莓派开发以及物联网平台上。ESP8266 上的软件设计包括采集传感器信息、控制无线传输通信、控制 LED 照明。树莓派开发的软件包含数据传输处理、算法处理、与物联网平台搭建连接用户交互界面。物联网平台上用户可通过网页或微信小程序访问控制界面。写字楼智能照明系统软件总体结构框图如图 3 所示。树莓派开发环境采集LED照明控制控制传感器无线传输发送循环检测无线传输接收发送数据处理算法网页界面显示PWM信号调控无线传输接收写字楼智能照明控制系统软件设计图 3 写字楼智能照明系统软件总体结构框图 3.1 照明控制系统主程序设计该监测系统软件部分的主程序所要完成的工作有：完成主控模块和终端节点的初始化，使系统处在一个即将工作的状态；调用光照传感器子程序和人员检测子程序。通过人员检测子程序来判断当前环境是否有人，并将信号传输给终端节点；调用 WiFi 通信子程序与数据处理子程序。在传感器采集到信号后，终端节点将采集的传感器信号上传至主控模块，主控模块在对数据进行分析后，将相应指令传送至终端节点，以此完成数据传输和数据处理的工作；调用照明控制子程序。在终端节点接收到指令信号后，改变 PWM 信号输出调节 LED 照明亮度，进而完成照明调节的工作。3.2 交互界面的设计该系统采用 B/S 架构设计，即浏览器/服务器架构，属于 C/S 体系结构的改进。交互界面采用 B/S 架构，用户无须安装任何软件，系统支持大部分浏览器，如IE、Firefox等。用户在浏览器中键入地址即可访问用户界面，首先显示如图4 所示的系统用户登录界面，用户正确输入用户名和密码后即可成功登录，若用户名和密码其中有一项输入错误将无法登录，由于系统以 web 网页形式呈现给用户，任何人都可以进行访问，所以此系统为安全起见不支持用户注册，系统的用户和密码直接录入数据库中，若要让人进行登录，需将预先设定的用户名和密码告知其他用户3。用户登录成功后即可进入系统主界面，主界面如图 5所示。用户主界面将办公室、走廊、楼梯间等区域分开显示，在此界面可以直接控制所有区域的照明开关。同时主界面还|65智能应用可以显示天气信息等根据用户需求定制的信息4。点击相应区域链接进入区域控制界面，例如进入办公室控制界面，在此界面可以查看历史的开关状态，并调节照明亮度。用户还可以点击左侧历史图标进入历史界面，在此界面可以查看所有区域的历史状态，还可以根据用户需求定制一些功能，如室内的温度和湿度状态，在历史界面也可将这些信息汇总显示出来。4 总结本系统在了解国内外室内智能照明系统发展现状的基础上，根据人们生活中的实际需求对写字楼智能照明控制系统这一课题进行研究。结合 WiFi 无线通信技术、嵌入式开发、物联网平台技术，能够对根据不同区域的环境条件自动调节 LED 照明状态，也能远程调节不同区域的照明状态等。参考文献 1王成昊.基于物联网的楼宇智能照明系统设计 D.内蒙古大学,2019:12+23.2 丁晗.网格化三维建筑模型数据组织及管理技术研究 D.东南大学,2017:49-50.3 高蒙.基于机智云平台的远程监控系统开发关键技术研究 D.西安理工大学,2019:48-52.4 李春光,何中胜,何思楷,张淞强,季亚香.基于 Home Assistant 的智能家居系统研究 J.电子世界,2019(15):53-54+57.5 葛志强.基于 ZigBee 的无线网络定位系统的应用研究 D.大连交通大学,2015:62.6 陈厚文.智能室内照明 D.华南理工大学,2013:56-59.图 4 用户登录界面图 5 用户主界面致三电平 DCDC 主电路中点电压漂移，引起均压电容 C1 和C2 压差较大，进一步可能会导致电容 C1 或 C2 过压损坏。因此在控制环路中需要调节功率模块相应桥臂的输出功率来实现均压控制。通过检测电容 C1 和 C2 的电压，进行压差U计算和占空比D补偿，从而实现电容C1和C2均压。综上所述，三电平主电路的控制策略相对复杂。2.5 系统适用性两电平 Buck/Boost 拓扑与三电平 Buck/Boost 拓扑均可以可采用模块化设计，具有较好的多系统/多平台适应性，针对不同直流母线电压、不同的功率模块功能，可以通过更改功率模块串并联组合，完成模块化配置。综合整车牵引/辅助/DCDC 变流系统的通用互换性，两电平 Buck/Boost拓扑在系统适应性方面更好。3 结论两电平 Buck/Boost 拓扑与三电平 Buck/Boost 拓扑在机车变流装置中均有应用，并且已完成地面联调试验，验证了两种主电路拓扑方案的可行性和有效性。从系统的可靠性、开发难度、适用性的角度考虑，对于性能要求不高的产品，两电平 Buck/Boost 拓扑具有优势；从系统的轻量化、小型化、高性能的角度考虑，三电平 Buck/Boost 拓扑具有优势。参考文献 1 温吉斌,刘景来,魏宏,董飞,王明岩,邓岳.3000 马力节能环保型调车机车电气系统设计 J.机车电传动,2019(01):78-82.2 温吉斌,赵刚,柳占宇 杜霏,吕婷婷,孙志伟.3000 马力混合动力（重混）调车机车电