進(jìn)行智能照明改造后的地下車庫
文 / 陳國光（北京中電瑞達(dá)物業(yè)有限公司副總經(jīng)理）
隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的快速發(fā)展，智能照明控制系統(tǒng)作為其核心組成部分，不僅提高了生活的便利性，更在節(jié)能減排方面顯示出巨大的潛力，因此越來越受到人們的關(guān)注。但是，當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)于智能照明控制系統(tǒng)的研究主要集中在控制算法優(yōu)化、傳感器精度提升以及系統(tǒng)集成方面，往往忽略了現(xiàn)實(shí)中的可行性和成本效益分析，導(dǎo)致理論成果難以在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。此外，現(xiàn)有研究大多偏重于技術(shù)層面，對(duì)于用戶體驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用場景的考慮不足，使得系統(tǒng)的實(shí)用性和靈活性有待提高。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文將從以下幾個(gè)方面展開工作：首先綜合考慮成本和性能指標(biāo)，選擇適合的硬件平臺(tái)和傳感器類型，確保系統(tǒng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性；其次設(shè)計(jì)易于操作的用戶界面，并考慮到不同用戶的需求，提高系統(tǒng)的適用性和靈活性；最后，通過實(shí)地測試和模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保其在不同環(huán)境下都能表現(xiàn)出良好的控制效果。
智能照明系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在通過高效且靈活的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的智能調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能和提升用戶體驗(yàn)的目的。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示，該系統(tǒng)以STM32F103系列單片機(jī)作為核心控制單元，結(jié)合傳感器技術(shù)，能夠根據(jù)不同環(huán)境變化和用戶需求，自動(dòng)調(diào)整照明亮度，從而在保證照明效果的同時(shí)降低能耗。
圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先考慮的是其主控制器的選擇。STM32F103系列單片機(jī)因其高性能、低功耗以及成本效益高的特性被選中。該單片機(jī)基于ARM Cortex-M處理器架構(gòu)，不僅擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，還提供了豐富的外設(shè)資源，為系統(tǒng)的多功能性和可擴(kuò)展性提供了堅(jiān)實(shí)的硬件支持。在傳感器選擇上，系統(tǒng)采用傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知能力。傳感器能夠精確探測到車輛位置及與探測器之間的距離，為智能調(diào)節(jié)照明亮度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，利用STM32單片機(jī)提供的豐富軟件庫和開發(fā)工具，可以快速開發(fā)出穩(wěn)定高效的控制程序。
在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，結(jié)構(gòu)如圖2所示。LED燈具終端節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器通信，電源電路為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供必要的電力支持，而溫度傳感器電路則負(fù)責(zé)監(jiān)測LED的溫度，確保其在安全的工作范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)為過溫保護(hù)機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持。照度傳感器電路的作用是收集環(huán)境光照強(qiáng)度信息，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)恒照度照明至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)同樣關(guān)鍵，它包括AC/DC轉(zhuǎn)換電路、PFC功率因數(shù)校正電路、DC/DC降壓電路以及恒流源控制電路。這些電路共同工作，以確保LED燈具能夠在不同的亮度級(jí)別下穩(wěn)定運(yùn)行。恒流源控制電路則根據(jù)微控制器輸出的PWM信號(hào)調(diào)整輸出電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的精確調(diào)節(jié)。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
時(shí)鐘電路在系統(tǒng)中的作用類似于計(jì)算機(jī)中的節(jié)拍器，它不僅控制著系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊的工作節(jié)奏，還協(xié)調(diào)它們按照規(guī)定的順序和時(shí)間運(yùn)行，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。系統(tǒng)時(shí)鐘電路的核心是選用一個(gè)8MHz的晶振，這種晶振能夠提供高精度的時(shí)鐘信號(hào)，確保系統(tǒng)中各模塊能夠同步工作。其中時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 時(shí)鐘電路
在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路時(shí)，除了選擇合適的晶振外，還需要考慮到電路的布局和阻抗匹配問題。電路的布局應(yīng)該盡量減少信號(hào)傳輸過程中的延遲和干擾，而阻抗匹配則是為了確保信號(hào)在傳輸過程中不會(huì)因?yàn)榉瓷涠鴮?dǎo)致失真，這些細(xì)節(jié)的處理與保證時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量息息相關(guān)。此外，時(shí)鐘電路還應(yīng)該具備一定的抗干擾能力，以適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。
復(fù)位電路的核心功能是將整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)到其初始狀態(tài)，確保系統(tǒng)能夠從已知的狀態(tài)重新開始操作，這對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和故障恢復(fù)至關(guān)重要。在本研究中，采用了一種簡單而有效的低電平復(fù)位方式來實(shí)現(xiàn)這一功能。具體如圖4所示，復(fù)位電路包括一個(gè)上拉電阻和一個(gè)開關(guān)，上拉電阻保證了在沒有外部干預(yù)時(shí)RESET腳能夠維持在高電平狀態(tài)，而開關(guān)則連接在RESET腳和地之間，當(dāng)開關(guān)被閉合（即按鍵被按下）時(shí)，RESET腳直接接地，從而實(shí)現(xiàn)了低電平的輸入。
圖4 復(fù)位電路
在智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究中，電源模塊的設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。該電源模塊主要負(fù)責(zé)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件：主控STM32芯片、雷達(dá)傳感器HLK-LD012-5G模塊以及CAN收發(fā)器TJA1050芯片提供所需的電力供應(yīng)。為了滿足不同組件的電壓需求，設(shè)計(jì)中采用了兩種穩(wěn)壓芯片：AS1117-3.3V用于輸出3.3V電壓，而78M05則用于提供5V電壓。對(duì)于需要3.3V供電的組件，設(shè)計(jì)中引入了AS1117-3.3V穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器能夠接收來自78M05穩(wěn)壓器輸出的5V直流電壓，并將其降至穩(wěn)定的3.3V輸出，滿足這些敏感元件的供電需求。
智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究主程序設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)STM32單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，根據(jù)上位機(jī)的選擇，確定系統(tǒng)工作在自動(dòng)控制模式還是手動(dòng)控制模式。在手動(dòng)控制模式下，操作人員可以通過上位機(jī)界面對(duì)燈具進(jìn)行開通與關(guān)閉操作。為了應(yīng)對(duì)緊急情況如火災(zāi)等，系統(tǒng)會(huì)立即點(diǎn)亮所有燈具，以便人員逃生和尋找火源。此外，還可以通過上位機(jī)界面設(shè)置燈具的亮度，實(shí)現(xiàn)靈活的照明控制，其中系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)主程序流程
在自動(dòng)控制模式下，雷達(dá)傳感器檢測電路開始工作，實(shí)時(shí)采集車輛及人員位置信息。當(dāng)有物體運(yùn)動(dòng)到雷達(dá)傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)物體的距離和速度計(jì)算出相應(yīng)的亮度值，并通過調(diào)節(jié)PWM占空比來控制LED燈的亮度。具體來說，當(dāng)物體靠近時(shí)，燈具亮度逐漸增加；當(dāng)物體遠(yuǎn)離時(shí)，燈具亮度逐漸降低，這樣既能滿足照明需求，又能降低能耗。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要編寫相應(yīng)的C語言程序代碼。首先，在Keil uVision5 MDK軟件中創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目，并配置好STM32單片機(jī)的相關(guān)參數(shù)。按照功能模塊劃分編寫各個(gè)子程序，在編寫過程中，要注意代碼的可讀性和可維護(hù)性，遵循一定的編程規(guī)范。最后，將編寫好的程序燒錄到STM32單片機(jī)中，并與實(shí)際的硬件系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。
上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)則采用USARTHMI軟件進(jìn)行開發(fā)。在上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)中，首先打開USARTHMI軟件，創(chuàng)建一個(gè)新的文件，根據(jù)所選顯示屏的尺寸型號(hào)進(jìn)行設(shè)置，確保界面設(shè)計(jì)與實(shí)際屏幕相匹配。接下來，選擇顯示的方向，以及文字的編碼方式，考慮到中文輸入法的支持，文字編碼采用GB2312，以避免輸入時(shí)出現(xiàn)文字錯(cuò)誤。完成這些基本設(shè)置后，點(diǎn)擊OK，即可完成工程的建立。接下來，在USARTHMI軟件中設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，利用軟件提供的工具和控件，如按鈕、滑塊、文本框等，設(shè)計(jì)簡潔直觀的操作界面。
設(shè)計(jì)完成后，使用USARTHMI軟件生成相應(yīng)的代碼，將代碼與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和指令控制。通過串口通信功能，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)向下位機(jī)發(fā)送控制指令，并接收下位機(jī)的反饋信息。最后，對(duì)上位機(jī)模塊進(jìn)行測試和驗(yàn)證，通過實(shí)際操作驗(yàn)證界面設(shè)計(jì)的合理性和易用性，確保上位機(jī)能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地向下位機(jī)發(fā)送控制指令。同時(shí)，檢查上位機(jī)接收到的反饋信息是否準(zhǔn)確無誤，以保證整個(gè)智能照明控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
在智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究中，系統(tǒng)應(yīng)用效果分析是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，本文通過對(duì)地下停車場的實(shí)際應(yīng)用測試，對(duì)智能照明控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全面的評(píng)估。實(shí)驗(yàn)場地設(shè)在一個(gè)地下停車場，共分為5個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域安裝了3盞燈。在將程序?qū)懭腚娐钒宀⑦M(jìn)行現(xiàn)場測試后，測試觀測數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)有人通過時(shí)，燈光亮度能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)到100%，為行人提供充足的照明；而在無人通過時(shí)，系統(tǒng)則維持較低的亮度，避免了不必要的能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了“按需照明”的目標(biāo)。
此外，當(dāng)不同的行人同時(shí)通過時(shí)，系統(tǒng)也能夠根據(jù)不同的情況展示出相同的照明效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與傳統(tǒng)熒光燈照明系統(tǒng)相比，LED照明系統(tǒng)在節(jié)約能源方面具有顯著的優(yōu)勢。即使不使用智能控制，LED照明系統(tǒng)也能夠節(jié)約約50%的能源。然而，在加入智能控制后，節(jié)約的能源量可以進(jìn)一步提高10%至20%，這得益于智能控制系統(tǒng)能夠確保照明系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間自動(dòng)開啟和關(guān)閉，并根據(jù)不同信息實(shí)現(xiàn)智能化控制。
結(jié)論
本文的研究和實(shí)踐表明，智能照明控制系統(tǒng)在提高能源利用效率和增強(qiáng)用戶體驗(yàn)方面具有顯著的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境變化和用戶需求自動(dòng)調(diào)整亮度，與傳統(tǒng)熒光燈系統(tǒng)相比，LED照明在加入智能控制后能進(jìn)一步節(jié)約約10%至20%的能源。同時(shí)，智能照片控制系統(tǒng)也為未來工作指明了方向。例如，當(dāng)前系統(tǒng)主要側(cè)重于單一場景下的應(yīng)用，而智能家居環(huán)境下的多場景聯(lián)動(dòng)控制仍是一個(gè)有待進(jìn)一步探索的領(lǐng)域。此外，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，如何將這些先進(jìn)技術(shù)有效融入智能照明控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)更為智能化的照明控制，也是未來研究的重要內(nèi)容。