智能家居照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

中心議題：

• 智能家居照明系統(tǒng)方案
• 2.4G模塊
• 智能家居照明控制設(shè)計(jì)

隨著科技的發(fā)展，越來越多的自動(dòng)化、智能化的產(chǎn)品進(jìn)入到人們的生活，智能家居正逐漸取代傳統(tǒng)家居，成為一種行業(yè)發(fā)展潮流。智能家居照明系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，具有高效節(jié)能、管理簡(jiǎn)單、控制多樣、成本較低和容易進(jìn)入市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)面向智能家居的智能照明系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)，完成了一種單片機(jī)控制的、低成本的智能家居照明系統(tǒng)。

1.概述

智能家居照明系統(tǒng)隸屬于智能家居中的一個(gè)子系統(tǒng)，也可以單獨(dú)使用。智能家居照明系統(tǒng)能控制不同生活區(qū)域不同場(chǎng)合的各種照明效果輕松解決家居節(jié)能問題、提高生活品質(zhì)。生活中常常遇到這樣的問題，當(dāng)在客廳中看電視或讀書時(shí)并不需要太強(qiáng)烈的照明光線不得不關(guān)掉客廳大燈開啟光線相對(duì)較暗用于滿足看電視或讀書需要的其他燈具。為了滿足不同場(chǎng)合的照明要求，需要安裝多種燈具，這給燈具控制帶來極大的不方便，智能照明系統(tǒng)能輕松解決這個(gè)問題。只要按下手中的遙控器就能換轉(zhuǎn)場(chǎng)景燈光照明。

智能家居照明系統(tǒng)控制方式的解決方案分為有線方式和無線方式。有線方式包括電力線載波的X-10 和CEBUS、電話線方式的HomePNA、以太網(wǎng)方式IEEE802.3 以及專用總線方式的LONWORKS 和IEEE1394 等等。其中用電力線作為網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是：不需要另外布設(shè)電纜，降低施工難度；缺點(diǎn)是傳輸速率只有300Kbps,難以滿足視頻和音頻信號(hào)的傳輸，保密性差，接入設(shè)備昂貴等。無線方式包括紅外線方式的IrDA、無線局域網(wǎng)方式的IEEE802.11 系列、家庭射頻技術(shù)的HomeRF、藍(lán)牙的IEEE802.15.1、ZigBee 的IEEE802.15.4 等等。

無線方式解決了布線的難題，同時(shí)也能滿足視頻和音頻信號(hào)的傳輸。本文以2.4G 射頻技術(shù)為基礎(chǔ)介紹一種智能家居照明系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案框圖如圖1 所示。本方案采用STC12C5A08AD 作為MCU控制器，STC12C5A08AD 是宏晶科技公司最新一代單片機(jī)，采用第6 代保密技術(shù)，程序燒寫后無法解密，增強(qiáng)了保密功能。速度比普通的8051單片機(jī)快8~12 倍，內(nèi)建4 個(gè)16 位定時(shí)器，功耗比較低。MCU 的控制信號(hào)通過光耦控制可控硅來控制燈具的明亮程度，在強(qiáng)電控制接口加有電流檢測(cè)回路，檢測(cè)強(qiáng)電電流的大小，用作檢測(cè)反饋。通訊方式采用2.4G 無線通信模塊，無需布線，降低成本，控制方式靈活，遙控范圍廣，通訊速度快。本方案一共可以控制12 路燈具，適用于家庭照明控制。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

3. 2.4G 模塊

目前用于2.4GHz 通訊的通用芯片常見的有挪威Nordic 公司的nRF2401無線芯片模組，以色列RFWave 公司的RFW102 無線芯片模組等[5].根據(jù)設(shè)計(jì)需求及成本考慮，本設(shè)計(jì)中采用Nordic 公司的nRF2401進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

nRF2401 是一個(gè)單片無線收發(fā)一體芯片，工作在2.4GHz ISM 頻段，完全集成功率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)整電路。采用QFN24 5×5 毫米封裝，應(yīng)用電路使用外圍元件少（見圖2）；采用FSK 調(diào)制方式，125 個(gè)頻道，能滿足多頻及跳頻需要；傳輸速率高達(dá)1Mbps,具有高數(shù)據(jù)吞吐量；功耗低，電源電壓1.9V~3.6V 滿足低功耗設(shè)計(jì)需要；芯片內(nèi)部設(shè)有專門穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC 開關(guān)電源均有較好的通信效果。

圖2 2.4G 通訊電路

4.照明控制

常用的調(diào)光方法有：脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)光法、改變半橋逆變器供電電壓調(diào)光法、脈沖調(diào)頻調(diào)光法、脈沖調(diào)相調(diào)光法和可控硅相控調(diào)光法?？煽叵嗫卣{(diào)光法具有體積小、價(jià)格合理和調(diào)光功率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)最終采用可控硅相控調(diào)光來調(diào)節(jié)燈具的明亮程度。

應(yīng)用可控硅相控原理，通過控制可控硅的導(dǎo)通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分，以降低輸出電壓的平均值，達(dá)到控制燈具供電電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光?？煽毓柘嗫卣{(diào)光對(duì)照明系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)速度快，調(diào)光精度高，調(diào)光參數(shù)可以分時(shí)段實(shí)時(shí)調(diào)整。由于調(diào)光電路主要是電子元件組成，相對(duì)來說體積小、設(shè)備質(zhì)量輕、成本低。

可控硅相控調(diào)光電路如圖3 所示。單片機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)74HC04反相后送到光耦MOC3023,光電隔離后輸入到可控硅T16C6F 的控制極，控制可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

圖3 可控硅相控調(diào)光電路

5.結(jié)束語

基于單片機(jī)控制的智能家居照明系統(tǒng)，具有成本低、開發(fā)時(shí)間短、安裝維護(hù)方便、容易滿足客戶不同需求等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)前景廣闊。目前我國(guó)的消費(fèi)水平并不高，對(duì)于系統(tǒng)龐大的高檔智能家居需求并不大，而智能家居照明系統(tǒng)的低成本，在家居市場(chǎng)上應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹的基于單片機(jī)控制的智能家居照明系統(tǒng)具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。