基于人体红外和光强传感器的智能网络开关的研究与设计

2018-05-30包依勤许文斌

物联网技术 2018年5期

包依勤，许文斌

（南京晓庄学院信息工程学院，江苏南京 210013）

0 引言

现今生活中常规开关的控制方式包含两个状态，即接通与断开。相比于机械式墙壁开关，智能开关的功能特色颇为丰富，具有智能化、节能、安全、式样美观等特点。智能开关打破了传统墙壁开关用途单一的局限，除了功能创新，其还被赋予了装饰点缀的使命。智能开关被广泛应用于家居智能化、工业智能化、农林渔牧智能化改造等领域，极大地节约了能源，提高了生成效率，降低了运营成本。

智能开关是指利用控制板和电子元器件的组合及编程，实现电路智能开关的单元。开关控制又称为Bang-Bang控制，由于这种控制方式简单并且易于实现，因此在家用电器和照明灯具控制中被广泛应用。但如今的常规控制开关难以满足精度的进一步提高和节能化要求[1]。

目前许多家庭或办公室都安装了墙壁开关，普遍存在无人灯亮、灯多人少、白天灯常亮等问题，不仅浪费了有限的电能，还缩短了灯具的使用寿命[2]。现有的调控方案分为如下两种：

（1）通过安装红外传感器来检测室内是否有人员存在，如有则亮灯，即使白天光线很强；

（2）通过安装光强传感器来检测室内光线强弱，若光线较暗则灯亮，即使室内无人。

上述两种方案虽有一定的智能节能效果，但仍存在电能利用率低，节能效果不明显等问题。基于人体红外和光照传感器的智能网络开关较好地解决了上述问题，真正做到智能和节能。只在室内有人和光线较弱时，灯才亮；光线好或无人时，灯自动熄灭。

1 基于人体红外和光照传感器的智能网络开关的结构

基于人体红外和光照传感器的智能网络开关主要由CC2530芯片、人体红外传感器、光照传感器和继电器等组成。在原有开关基础上，安装人体红外传感器和光强传感器。人体红外信号及光强信号通过CC2530的I/O输入端输入，继电器则分别与高压端和CC2530的I/O输出端相连。开关通电时，CC2530收到人体红外和光照传感器的信号，通过程序处理，判定当前房间的情况是否满足开灯的条件：当屋内有人且光线较暗时，开关接通，其余时间皆处于断开状态。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图

2 人体红外传感器

人体红外传感器是以红外光作为介质的传感器，又名热释电传感器。压电陶瓷类电介质在电极化后保持极化状态，称为自发极化。自发极化随温度升高而减小，在居里点时，温度降为0。因此当这种材料接收红外辐射而温度升高时，表面负荷减少，释放了一部分电荷，即热释电。释放的电荷经放大器可转换为电压输出，即热释电传感器的工作原理[3,4]。本设计使用HC-SR501人体红外传感器，内部电路如图2所示。

当有人进入人体红外传感器的感应范围时，输出高电平；离开感应范围时则系统自动延时关闭高电平，输出低电平[2]。CC2530通过其高低电平对当前检测范围内是否有人进行判定。人体红外传感器状态原理如图3所示。

图2 HC-SR501人体红外传感器内部电路图

图3 人体红外传感器状态原理图

开关中所用的HC-SR501人体红外传感器实物如图4所示。传感器有三个引脚可与CC2530相接。VCC接正极，GND接负极，OUT接信号端，与CC2530输入口相连。对于此传感器，其灵敏度和延时时间可根据实际情况通过传感器的旋钮调节。

图4 人体红外传感器实物图

3 光照传感器

光照传感器是将光照强度值转为电压值的一种传感器。光照强度指光照的强弱。以单位面积上所接受可见光的能量来量度，简称照度（Lux或Lx）。被光均匀照射的物体，在1 m2面积上所得的光通量是1流明时，其照度为1 Lux（流明为光通量的单位）。发光强度为1烛光的点光源，在单位立角体（1球面度）内发出的光通量为“1流明”[5,6]。本设计使用BH1750光照传感器，内部电路如图5所示。

图5 BH1750光照传感器内部电路图

开关接通时，若人体红外传感器检测到有人存在，那么光照传感器便会采集当前房间的光照数据，并转换成电压值传送给CC2530。CC2530通过光照传感器传送来的电压值判定当前的光照值。光照传感器工作原理如图6所示。

图6 光照传感器工作原理图

开关中所用的BH1750光照传感器实物如图7所示。BH1750是一种用于两线式串行总线接口（I2C）的数字型光强度传感器集成电路，有四根不同的引脚与CC2530相连。VCC接正极，GND接负极，SCK与DAT分别与CC2530输入口相连，作为I2C总线编程的时钟信号端及数据端。

图7 BH1750实物图

图8 CC2530最小系统电路图

4 CC2530微处理器

CC2530是德州仪器（Texas Instruments，TI）生产的一款基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，能以极少的总材料成本建立强大的网络节点，对芯片进行编程，从而执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等，通过数字或模拟输入输出进行环境监测及设备控制的信号输出。具体实现时选用CC2530F256芯片，实现功能最大化[7-9]。最小系统电路如图8所示。

人体红外传感器、光照传感与继电器分别与CC2530相连接，共接入四个I/O端，其接入端口为输入输出，在程序中设定。初步假设情景：在房间中安装好本设计开关，当有人进入房间时，人体红外传感器将高电平传送至CC2530；收到高电平，CC2530通过光照传感器实时采集当前房间数据。若当前光照数据低于设定阈值，则CC2530向继电器输出一个高电平信号，即打开灯；反之，关闭灯。CC2530自组成星形网络，星形网络的中心节点，即协调器接收所有智能网络开关信息，实现统一开关控制。CC2530程序流程如图9所示。

5 结语

该智能开关的运用，使得房间的灯具实现了智能化控制。用户进入房间时，无需刻意打开或关闭灯具；走出房间时，灯具会自动关闭；白天光线较好时，灯亦自动熄灭。开关在实现智能化的同时，也在一定程度上降低了灯具的能耗。CC2530作为一个真正的片上系统，经过时间的考验，运行平稳，功耗低，且不易损坏，极大地保障了系统的安全性，程序运行稳定可靠。相比于单片机等其他实现方式，该方案具有功耗低、可自组网、稳定性强、可靠性高等优点。基于人体红外和光强传感器的智能网络开关具有很高的应用推广价值。