CN105357809A - 基于物联网技术的教室灯光智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网技术的教室灯光智能控制系统，红外传感系统包括51单片机、红外壁障传感器一、红外壁障传感器二和数码管，红外壁障传感器一、红外壁障传感器二分别与51单片机相连接，51单片机与数码管相连接，智能控制灯光系统包括多个无线模块，单一无线模块由底板上加载的一个CC2530模块和传感器模块组成，底板装在电源板上，传感器模块包括人体热释电红外传感器和照度传感器，其中一个CC2530模块即协调器节点连接一盏LED灯，另一个CC2530模块即终端节点分别连接人体热释电传感器和照度传感器，采用广播式进行zigbee组网，在代码中进行编号，无线模块分布安装在每盏LED灯旁进行监测，实现分区域控制灯光，灵活调节教室照度。

Description

基于物联网技术的教室灯光智能控制系统

技术领域

本发明属于灯光智能控制领域，涉及一种基于物联网技术的教室灯光智能控制系统，尤其适用于对教室内进行选择性区域性开灯，并且灵活调节教室照度。

背景技术

高等学校是集教学、科研和生活于一体的人口高密集区，也是能源消耗大户，做好节能工作，不但可以为学校节省下资金，也能培养学生的节能意识和认知。当这些有着良好节能意识的人才走向社会，更能引起良好的社会效应，为国家建设资源节约型社会，走可持续发展道路奠定良好基础。

为了响应教育部“建设节约型校园”的号召，全国多所高校都开展了节能工作。但由于对部分用能环节的研究不够深入，尚未形成有效的节能措施与行动，取得的效果不明显。经过考察发现，在高校里面，由于教室众多，且普遍采用日光灯照明，平时的用电量很大，而且浪费现象非常严重，不少学生自修时喜欢去人少的教室，常常是几个人开着几十盏灯，就是这样不起眼的几盏灯、几度电，累计起来也是一笔不小的开支，据统计教室照明用电约占整个学校用电量40％，用电浪费十分严重。

同时，物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，其通过各种传感设备，把物品通过网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，可广泛应用于各行各业，通过无线信息的收发，便与通讯和监管，不用数据线，成本低，使用便利。如将其应用于校园，可让大学生的校园生活更加便捷，并且能够实现节能减排。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种基于物联网技术的教室灯光智能控制系统，采用红外传感系统和智能控制灯光系统，解决了教室灯具使用用电量过大的问题，为学校教育创造了最佳视觉环境,改善了教与学的工作条件，可节约学校能源，避免浪费。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

依据本发明提供的一种基于物联网技术的教室灯光智能控制系统，包括红外传感系统和智能控制灯光系统，所述的红外传感系统包括51单片机、红外壁障传感器一、红外壁障传感器二和数码管，红外壁障传感器一、红外壁障传感器二分别与51单片机相连接，51单片机与数码管相连接；所述的智能控制灯光系统包括多个无线模块，单一无线模块由底板上加载的两个CC2530模块和传感器模块组成，底板装在电源板上，所述的传感器模块包括人体热释电红外传感器和照度传感器，其中一个CC2530模块即协调器节点连接一盏LED灯，另一个CC2530模块即终端节点分别连接人体热释电传感器和照度传感器，采用广播式进行zigbee组网，在代码中进行编号，无线模块分布安装在每盏LED灯旁进行监测。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果

本发明采用的zigbee技术，功耗相对于wifi较低；在低信噪比的环境下，zigbee具有很强的抗干扰的能力，且好于蓝牙与wifi；同时具有高安全性和可靠性；具有优良的网络拓扑能力，布网容易；

对于整个系统来说，采用此发明可以达到区域性开灯的效果，使用热释电传感器检测是否有人来进行开关灯，然后利用光照传感器采集的光照值使用PWM脉宽调节技术控制LED灯的亮度；这样可以减少打开灯的数量，达到节能的效果。

由于本发明采用人体红外传感设备及照度感应器在有人到来且亮度低于最低需求标准时将打开照明灯具，并根据外界自然光照入强度自动调节LED灯的亮度，使室内光强达到合适的照度的前提下尽量节约电能，减小无用损耗。对于教室内的通信设计，选用基于2530的无线模块，将简化版ZigBee协议栈烧录至无线模块上，实现教室内的无线红外、照度传感器网络应用。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图；

图2为本发明的红外传感系统结构框图；

图3为本发明的智能控制灯光系统结构框图；

图4为本发明的智能控制灯光系统工作原理框图；

图5为本发明的红外传感系统工作原理框图；

图6为本发明的CC2530模块协调器节点结构框图；

图7为本发明的CC2530模块终端节点结构框图；

图8为本发明的灯具布置示意图；

图9为本发明的无线模块示意图；

图10为本发明的CC2530模块核心板电路图；

图11为本发明的CC2530模块排针连接电路图；

图12为本发明的LED灯连接电路原理图；

图13为本发明的红外热释电传感器连接电路原理图；

图14为本发明的照度传感器连接电路原理图。

其中：1、座位，2、灯具，3、电源板，4、传感器模块，5、CC2530模块，6、底板。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1～14所示的一种基于物联网技术的教室灯光智能控制系统，包括红外传感系统和智能控制灯光系统，所述的红外传感系统包括51单片机、红外壁障传感器一、红外壁障感器二和数码管，红外壁障外传感器一、红外壁障传感器二分别与51单片机相连接，51单片机与数码管相连接；所述的智能控制灯光系统包括多个无线模块，单一无线模块由底板上加载的一个CC2530模块5和传感器模块4组成，底板装在电源板3上，所述的传感器模块包括人体热释电红外传感器和照度传感器，其中一个CC2530模块即协调器节点连接一盏LED灯，协调器节点主要作为处理终端节点上的传感器传输过来的信息，然后控制LED的亮度，控制LED灯的亮度使用PWM脉宽调节技术进行调节，另一个CC2530模块即终端节点分别连接人体热释电传感器和照度传感器用来检测是否有人和当前的光照值，然后将数据传输到协调器节点进而控制LED灯，采用广播式进行zigbee组网，在代码中进行编号，然后将无线模块分布安装在每盏LED灯旁进行监测，实现分区域控制灯光。

工作原理：

对于一个LED灯，使用两个Zigbee节点即CC2530模块，一个节点作为协调器，一个节点作为终端节点；在终端节点上进行人员检测和光照值采集，然后通过消息广播技术将数据传输到协调器上，协调器根据是否有人和光照值来控制灯的开关状态和灯的亮度；在调节灯的亮度使用PWM脉宽调节技术，即控制占空比的大小使得LED灯产生不同亮度。

目前市场上，根据不同用途，有各种LED发光源产品可售，但在使用功能上还没有较为理想的产品。根据LED特点及所使用场合和环境不同，LED可制成不同几何形状（长方形、六边形、三星形、五星形、三角形、圆形等），不同亮度（由LED数量和发光强度决定），不同照射角度（LED外围灯罩反光角度）的发光源。

教室的照明可以分为：前排的讲台的灯光照明，靠窗的灯光照明，教室内部的照明系统。

对于讲台的灯光，只在老师上课黑板照度不够时才可以开启。

对于靠窗的灯光照明，在白天阳光照度充足的时候，不能够开启，但外界阳光减弱时才回有部分灯开启维持合适照度。只有在晚上和白天阳光照度不够时才可以开启。对于教室内部照明，靠窗处的灯具的可安排的较稀疏些，靠近内侧日光较弱处灯具应安排的相对多些。灯具通过合理的布置，能最大限度的节约电能，充分利用日光，并保证教室的照度满足大于等于300lx的照度标准。具体灯具布置示意图见图8，其中1为座位，2为灯具。（假设教室右侧为大面积的玻璃窗，可引入大量日光）

红外传感控制：人体热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10～20米范围内人的行动。

在教室门口处分别各安装两个红外壁障传感器，当有人进入从外向里进时，记为12；从里向外出，记为21。以此对教室人员进出进行监测，计算出教室内的人数及整体照度需求。随后，根据灯具下方安装的人体热释电传感器确定学生位置，点亮对满足照度需求的灯具，关闭不必要的灯。例如，一个人在教室时，一般会有1-2盏灯亮起，但最多不会超过3盏。

照度控制：经实地测量发现，在白天8：00----16：00时教室30%-60%的面积自然光照度就大于300lx的需求强度。然而在足够的照度下，教室中常有大量的日光灯开着，浪费了大量电能。以简化系统设计，并采用51单片机作为智能照明控制设备的控制核心，以实现对多个照明设备进行分区域控制，在节能的同时营造更舒适的照明环境。对于教室内LED灯的亮度调节我们采用了PWM（脉冲宽度调制信号），其中的“宽度”指脉冲的高电平的时间。PWM信号调节LED亮度时，信号频率是不变的，改变的是脉冲的高电平的时间，即LED的导通时间。这种信号调节亮度相当于调节LED的平均电流，在保证LED在调光范围内发出纯净的白色光的前提下，保持其原有寿命，减小了LED灯的平均功率，达到节能效果。

教室通信：对于教室内的通信设计，选用基于2530模块，将简化版ZigBee协议栈烧录至无线模块上，实现教室内的人体热释电红外传感器、照度传感器网络应用。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输。ZigBee工作在2.4GHz，传输速率250kbit/s，可有多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每个ZigBee网络模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

教室内所有的红外感应、照度感应器件都将各自所搜集到的红外信号、自然光强度信息转化为数字信号通过无线模块传送给本地照明控制系统，控制系统根据所得到的数据，在某些红外感应信号确定某地点有人的情况下发出控制信号，根据当地的自然光强度调节各个地点灯光亮度，在最省电的情况下达到照明亮度标准。

图10中，在底板上放入两个排针，用来将CC2530模块插在底板上；CC2530模块的P07、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17、P20、P21、P22对应连接图11排针P1的P7、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17、P20、P21、P22；P00、P01、P02、P03、P04、P05、P06、RESET对应连接图11排针P2的P00、P01、P02、P03、P04、P05、P06、RESET。图12中的P10、P14与图11P1排针的P10、P14对应连接；图13的P05与图11的P2排针的P05对应连接；图14中的P06与图11的P2排针的P06对应连接。

图12为本发明的LED灯连接原理图，此LED灯是为了判断CC2530模块组网是否成功。

Claims (1)

1.一种基于物联网技术的教室灯光智能控制系统，包括红外传感系统和智能控制灯光系统，其特征在于：所述的红外传感系统包括51单片机、红外壁障传感器一、红外壁障传感器二和数码管，红外壁障传感器一、红外壁障传感器二分别与51单片机相连接，51单片机与数码管相连接；所述的智能控制灯光系统包括多个无线模块，单一无线模块由底板上加载的一个CC2530模块和传感器模块组成，底板装在电源板上，所述的传感器模块包括人体热释电红外传感器和照度传感器，其中一个CC2530模块即协调器节点连接一盏LED灯，另一个CC2530模块即终端节点分别连接人体热释电传感器和照度传感器，采用广播式进行zigbee组网，在代码中进行编号，无线模块分布安装在每盏LED灯旁进行监测。