智能家居
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智能燈光方案開發(fā)
隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，大家對生活品質(zhì)的追求也日益增高，照明燈光是生活中不可或缺的部分。傳統(tǒng)的燈光控制和維護(hù)手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)城市現(xiàn)代化發(fā)展的速度，傳統(tǒng)的方式缺少總開、總關(guān)、調(diào)光等智能控制功能，人們經(jīng)常在需要全關(guān)燈時尋找各處的開關(guān)面板逐一操作關(guān)閉，且不可以調(diào)節(jié)燈的亮度，帶來不便。人們希望能隨心所欲地控制發(fā)光亮度，按照需要實(shí)現(xiàn)各種場景功能，操作簡單，要求系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性，因此，智能燈光控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。對于燈光控制系統(tǒng)的研究，將有助于推動整個智能家居系統(tǒng)的發(fā)展。
一、智能燈光與智能建筑的簡介
目前國內(nèi)絕大多數(shù)建筑的照明系統(tǒng)都還停留在燈光控制的早期階段，即通過手動操作位于負(fù)載回路中的開關(guān)、斷路器等電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)對照明電器的開、關(guān)控制。以一路開關(guān)同時控制多個照明設(shè)備的情況十分常見，因無法對每一盞燈進(jìn)行單獨(dú)控制而帶來的資源浪費(fèi)不容小視。伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，現(xiàn)代化水平不斷提升，照明系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣，對照明系統(tǒng)的要求也越來越高。照明再也不僅僅停留于最基本的達(dá)到用戶視覺上的明暗要求，人們更希望照明系統(tǒng)能夠適用于不同應(yīng)用場景，帶來更加豐富、舒適的體驗(yàn)與視覺享受。例如，最簡單的人來燈亮，人走燈暗或人走燈滅；靠近窗戶處的燈較暗，隨著與窗戶的距離增大燈具的亮度逐漸增強(qiáng)；在客廳接待客人與看電影希望有完全不同的照明環(huán)境；地下車庫的燈光控制需要根據(jù)實(shí)時情況決定等。而早期的燈光控制系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足這些實(shí)際應(yīng)用的要求。
智能建筑的概念自提出就受到了廣泛關(guān)注。建筑智能化以各種信息技術(shù)為基礎(chǔ)，充分應(yīng)用建筑、自動化、人工智能、網(wǎng)絡(luò)、通信、系統(tǒng)集成等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建一個覆蓋整個建筑甚至建筑群的一體化的、自動化的、智能化的平臺，給人們提供一個舒適、節(jié)能環(huán)保、安全、便利、人性化的辦公或生活環(huán)境；同時，人們可以方便的通過智能化平臺對建筑中的各系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、管理、控制以滿足各種不同的場景需求。智能燈光系統(tǒng)是智能建筑的重要組成部分，但是與門禁、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)相比，智能照明控制系統(tǒng)發(fā)展較慢。很多安裝了先進(jìn)樓宇自動化、辦公自動化、通信自動化系統(tǒng)的智能建筑仍然在使用傳統(tǒng)的手動燈光控制的方法，顯得與周圍環(huán)境格格不入。因而，智能燈光控制系統(tǒng)有著十分廣闊的發(fā)展前景，同時也到了必須得到大力發(fā)展的時期。
二、智能燈光控制系統(tǒng)的發(fā)展研究現(xiàn)狀
燈光控制的發(fā)展主要經(jīng)歷了如下三個階段：
（1）手動控制階段：手動控制是燈光控制的最初控制方式，即通過人工手動操作安裝在負(fù)載回路中的開關(guān)、斷路器來實(shí)現(xiàn)對照明燈具的開關(guān)控制，達(dá)到控制目的，控制完全依賴于人。這種最原始的控制方式因其十分可靠，目前仍出現(xiàn)在絕大多數(shù)的建筑中，哪怕是現(xiàn)代化程度較高的智能建筑。但是這種控制方法無法滿足特定環(huán)境下的調(diào)光要求，無法提供個性化的照明，無法方便的對照明系統(tǒng)進(jìn)行集中化的管理。
（2）自動控制階段：電氣、電子技術(shù)的不斷發(fā)展讓各類傳感器、微控制器等電子元器件的集成度越來越高，使這些器件應(yīng)用于燈光控制系統(tǒng)成為可能。燈光控制系統(tǒng)進(jìn)入自動控制階段的標(biāo)志是用聲、光、電等技術(shù)控制照明器件。雖然燈光控制系統(tǒng)的自動化程度有所提升，但是僅局限于單個或單組燈具的控制，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測與控制。
（3）智能控制階段：控制科學(xué)的發(fā)展現(xiàn)今已進(jìn)入智能控制的階段，智能控制將控制理論與人工智能的技術(shù)、理論與運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法相結(jié)合，在未知的環(huán)境下，仿效人的智能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其已在許多方面得到了應(yīng)用，智能燈光控制就是其中的一個應(yīng)用領(lǐng)域。智能燈光控制系統(tǒng)融合了計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、微處理器、自動控制等技術(shù)，對經(jīng)傳感器采集到的照明實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并通過控制算法產(chǎn)生控制信號，控制照明電路中相應(yīng)的設(shè)備，達(dá)到用戶的照明需求，營造良好的照明環(huán)境與氛圍。智能燈光控制系統(tǒng)通過對電氣照明的自動控制，在給用戶提供良好照明環(huán)境的同時降低照明系統(tǒng)的電能消耗。與手動照明控制相比，智能燈光控制系統(tǒng)具有可以營造不同照明環(huán)境氣氛、改善工作環(huán)境、提高工作效率、節(jié)省能源、延長光源使用壽命、便于集中化管理、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
目前，主要的智能燈光控制系統(tǒng)仍采用有線通信方式，這給舊房屋的照明系統(tǒng)改造帶來了困難，為了給燈具加上智能的控制系統(tǒng)還需要重新布線，另外在原有系統(tǒng)中增設(shè)新的燈具也都需要重新布線，阻礙了智能燈光控制系統(tǒng)的推廣；其次，當(dāng)燈光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)不能自適應(yīng)調(diào)整控制器參數(shù)以適應(yīng)新的環(huán)境，還需要專業(yè)人員重新設(shè)置控制器參數(shù)并通過不斷調(diào)試最終確定；另外，天然光光色自然、具有質(zhì)感，可以提供人工光源所無法提供的光照體驗(yàn)，應(yīng)該充分利用天然光照，當(dāng)天然光照無法滿足室內(nèi)照明需求時再輔以人工照明，這樣不僅可以節(jié)約電能同時還可以讓人們享受更加舒適的照明環(huán)境，遺憾的是現(xiàn)有智能燈光控制系統(tǒng)還缺乏類似的功能；最后，智能燈光控制系統(tǒng)無法準(zhǔn)確判斷人的具體位置和人員數(shù)量，缺少能在室內(nèi)準(zhǔn)確檢測人體并實(shí)時定位的方法。
三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與智能燈光控制系統(tǒng)方案設(shè)計
1、無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)簡介
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,WSNs）由部署在監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過無線方式進(jìn)行通信，形成自組織網(wǎng)絡(luò)，具有泛在感知、數(shù)據(jù)采集處理和無線傳輸?shù)裙δ?，目的是讓觀察者獲取監(jiān)控區(qū)域感知對象的信息。雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在諸如軍事、現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)、環(huán)境監(jiān)測與預(yù)報、醫(yī)療護(hù)理、智能建筑、橋梁狀態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，但是在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中沒有執(zhí)行器，因而無法改變監(jiān)控區(qū)域的物理環(huán)境。
無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSANs）衍生于WSNs。無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)和少量執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，與WSNs最大的不同是引入了執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，使得WSANs不僅具有監(jiān)測的功能，同時還有改變環(huán)境的能力，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的交互，達(dá)到控制目標(biāo)。協(xié)同是WSANs的重要特征，無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳感器與傳感器之間進(jìn)行通信，更要求傳感器與執(zhí)行器之間、執(zhí)行器與執(zhí)行器之間都能夠協(xié)同通信，以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。傳感器與執(zhí)行器之間的協(xié)同主要用于建立從傳感器到執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳輸路徑，以支持?jǐn)?shù)據(jù)從傳感器節(jié)點(diǎn)傳到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；當(dāng)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)檢測到事件并將事件報告給執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)后，執(zhí)行器需要通過協(xié)同來重構(gòu)事件、估計事件特性、就行動方案和如何實(shí)施聯(lián)合做出最準(zhǔn)確的控制決策，這就是執(zhí)行器與執(zhí)行器之間的協(xié)同。WSANs具有易于部署、低功耗、低成本、實(shí)時性強(qiáng)、容錯性強(qiáng)、靈活多變等優(yōu)勢，特別適用于智能燈光控制系統(tǒng)。
2、基于WSANs的智能燈光控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
將無線傳感/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到智能燈光控制系統(tǒng)，可以減輕控制系統(tǒng)布線的負(fù)擔(dān)，降低安裝、維護(hù)費(fèi)用。另外WSANs采用協(xié)同控制思想，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓⒐?jié)點(diǎn)加入或移除等情況下，能夠適應(yīng)變化而無需進(jìn)行整體重新配置，使得系統(tǒng)更加靈活。目前，基于WSANs的智能燈光控制已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)問題。
以上研究中凡涉及燈光控制方案的，基本都以系統(tǒng)模型準(zhǔn)確為前提，當(dāng)系統(tǒng)模型變化較大時控制器需要重新整定。但是在實(shí)際中，外界自然光隨時間、天氣等因素改變，控制目標(biāo)點(diǎn)的變動，這些都會使被控對象模型改變。設(shè)計出適用于智能燈光控制，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化后能夠自適應(yīng)改變控制策略的控制算法仍需要廣大研究者繼續(xù)深入研究。
3、室內(nèi)人體檢測與定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀
人體檢測與定位技術(shù)在智能燈光控制系統(tǒng)中占有重要地位，是整個控制系統(tǒng)的眼睛。準(zhǔn)確判斷室內(nèi)是否有人并確定人的位置是后續(xù)控制決策正確的重要保證，許多燈光控制策略都基于人體檢測。常見的用于人體檢測的傳感器有被動紅外傳感器（PIR）、超聲波傳感器、RFID，但它們都有不足之處。被動紅外傳感器可以感知區(qū)域中溫度場的變化，當(dāng)人靜止或動作較很小，可能無法檢測出人的存在，會出現(xiàn)雖然人坐在工作臺前工作而燈卻因PIR沒有檢測出人的存在而熄滅的情況，這將大大降低用戶體驗(yàn)。另外，被動紅外傳感器的感知區(qū)域存在間隙，且距離傳感器越遠(yuǎn)間隙越大，在間隙中的運(yùn)動也將無法被檢測。被動紅外傳感器也無法確定人的準(zhǔn)確位置。超聲波傳感器對運(yùn)動物體過于敏感，窗外的落葉甚至從空調(diào)吹出的空氣都會引起傳感器的動作，因而無法準(zhǔn)確反映人是否在檢測區(qū)域。RFID技術(shù)通常標(biāo)識了人的身份，因而如果用RFID技術(shù)來檢測人的位置存在隱私保護(hù)問題。
傳統(tǒng)的人體檢測傳感器存在誤檢測等問題，研究人員逐漸將注意力轉(zhuǎn)移到新的檢測方法，如圖像處理技術(shù)。將攝像頭作為傳感器，通過圖像處理等相關(guān)技術(shù)檢測人的存在與否并確定位置坐標(biāo)。通過學(xué)習(xí)人體頭部特征，利用在很多開放式辦公場所中已安裝的監(jiān)控攝像頭，確定視頻畫面中人體頭部的數(shù)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有較高的準(zhǔn)確性。較多研究者通過建立背景模型，在攝像頭得到的視頻圖像中去除背景，從而得到前景即人的圖像信息，實(shí)現(xiàn)人體檢測。
四、智能燈光系統(tǒng)的方案設(shè)計思路
1、智能燈光控制器系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)工作原理框如圖1,系統(tǒng)包括開關(guān)控制器面板和底板，底板主要包括開關(guān)執(zhí)行單元，過零檢測電路及電源模塊。底板主要完成開關(guān)執(zhí)行動作，過零檢測和電源取電功能。面板主要包括RF數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、傳送開關(guān)控制信號、操作提示等功能。本系統(tǒng)可通過手動按鍵、RF遙控兩種方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制器進(jìn)行打開、和關(guān)閉操作。
2、智能燈光硬件方案的選擇
1）電源管理模塊：實(shí)現(xiàn)直流電源轉(zhuǎn)換（5 V轉(zhuǎn)為3.3 V）功能。本設(shè)計采用貼片封裝線性直流電源IC,其輸入電壓范圍為：4.25V～10V；輸出電壓范圍為：3.267V～3.365V；輸出電流最大可達(dá)到800mA。在電源輸入端加二極管防止電源反接，用磁珠、鉭電容、磁片電容來減小輸入電源的紋波，以便得到干凈電源。
2）MCU及外圍電路：主要功能為數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理、傳送控制信號?；谝院笊壓蛿U(kuò)展考慮，其MCU選用包含8K Byte FLASH，512 ByteEEPROM,1K Byte SRAM，并支持ISP功能的集成度高、性價比高、低功耗ATMEGA8L AVR單片機(jī)（雙路調(diào)光用ATMEGA16L）,其硬件資源可滿足本產(chǎn)品的設(shè)計要求及以后系統(tǒng)升級用。其外圍電路采用阻容復(fù)位電路；同時預(yù)留外置晶振電路。
3）RF模塊：RF模塊采用現(xiàn)有的CC1101射頻模塊。
4）按鍵電路：主要完成手動控制的功能。基于產(chǎn)品超薄式設(shè)計理念，并結(jié)合產(chǎn)品外觀考慮，設(shè)計中采用貼片式輕觸按鍵，按鍵壓力為180g，按鍵壽命可達(dá)到10萬次。
3、智能燈光的關(guān)鍵性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)
1）低功耗：本系統(tǒng)設(shè)計時，著重考慮產(chǎn)品低功耗及環(huán)保設(shè)計。在器件的選型上盡量采用低功耗且具有環(huán)保標(biāo)志的元器件，例如采用高集成度、性價比高、低功耗模塊。
2）RF遙控距離：本系統(tǒng)設(shè)計綜合考慮RF模塊布局及底板對其影響，分別采用單獨(dú)供電、遠(yuǎn)離干擾源、電路板淘空、模塊供電加濾波電容等措施加以改善RF接收靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控功能。
3）動作響應(yīng)速度：本系統(tǒng)設(shè)計采用較高的工作頻率，以達(dá)到最高指令處理速度，從而實(shí)現(xiàn)遙控與手動控制的快速響應(yīng)（響應(yīng)時間≤0.2S）。
4）保護(hù)電路設(shè)計：在底板加入壓敏電阻、NTC來有效抑制浪涌電流，從而達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的作用。
4、智能燈光系統(tǒng)安規(guī)設(shè)計
火線最小爬電距離不小于3MM。高壓區(qū)與低壓區(qū)的最小爬電距離不小于8MM，不足8MM或等于8MM的。須開2MM的安全槽。高壓整流濾波的正負(fù)之間的最小安全距離不小于2MM。
5、智能燈光的電磁兼容設(shè)計
1）在電路板上每個IC上并接一個0.01～0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響。但應(yīng)注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，而這會影響濾波效果。2）布線時應(yīng)避免90°折線，并盡量減少高頻噪聲發(fā)射。3）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳應(yīng)盡量靠近，并用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼要接地并固定。最好在能使用低速晶振的場合盡可能選用低速晶振。4）VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，以去掉高、低頻干擾信號。
6、智能燈光系統(tǒng)環(huán)境條件的實(shí)現(xiàn)
在元器件選型時，充分考慮到每個元器件的使用環(huán)境，能夠滿足以下要求：工作溫度：0～50℃；存儲溫度：-20～70℃；相對濕度：45%-80%；大氣壓：90~110kPa；
7、智能燈光方案的可擴(kuò)展性與超小設(shè)計
1）面板MCU板接口預(yù)留一個I/0引腳，方便以后的擴(kuò)展。2）在PCB布局時，電路板上擺放元器的位置與結(jié)構(gòu)配合使得產(chǎn)品達(dá)到超薄的效果，以便適用于市面上各種86預(yù)埋底盒的尺寸。
五、智能燈光控制器的PCB布局設(shè)計
面板元件布局如圖2。
1、各PCB模塊接口定義如下
（1）物理連接：面板與底板連接線包括電源線和控制線；RF模塊接口包括電源線和數(shù)據(jù)通信線。
（2）數(shù)據(jù)通訊：數(shù)據(jù)通訊包含了上面提到的控制線和數(shù)據(jù)通信線，它們均采用單工通信方式，由MCU集中管理與維護(hù)。
2、PCB板設(shè)計
（1）接口位置定義：面板與底板接線端子已做到符合接插件放置電路板邊緣原則，以便生產(chǎn)安裝操作及提高產(chǎn)能。
（2）芯片布局：因?yàn)橐c結(jié)構(gòu)配合使得產(chǎn)品達(dá)到超薄的效果，MCU放置于電路板左下角。穩(wěn)壓芯片既靠近電源接線端子，又靠近MCU,以達(dá)到紋波小的效果。RF模塊遠(yuǎn)離蜂鳴器等干擾源，以提高數(shù)據(jù)接收的靈敏度。
3、PCB走線原則
1）高頻數(shù)字電路走線在pcb設(shè)計中做到了細(xì)而短。2）大電流信號、高電壓信號與小信號之間在pcb設(shè)計中注意隔離（隔離距離與承受的耐壓有關(guān)，通常情況下在2KV時板上距離2mm，在此之上則按比例算加大，例如若要承受3KV的耐壓測試，則高低壓線路之間的距離應(yīng)在3.5mm以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線路板上的高低壓之間開槽。）3）雙面板布線時，兩面導(dǎo)線在pcb設(shè)計中盡量做到相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸人與輸出的走線應(yīng)盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導(dǎo)線之間加接地線起隔離作用。4）盡可能走45度角的走線方式。5）走線盡可能避免穿過射頻模塊，射頻模塊底下電路板做淘空處理。6）光耦底下盡可能避免走線，以免干擾到光耦。
六、智能燈光系統(tǒng)方案總結(jié)
本文主要對人體檢測、實(shí)時定位與智能燈光控制兩大內(nèi)容進(jìn)行了研究。并主要介紹了燈光控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，整個控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，其主要的好處是擴(kuò)充靈活，增加系統(tǒng)的兼容性。該控制器硬件電路設(shè)計可靠，工作情況良好。使人們可以根據(jù)自己的需求控制燈光，同時延長了燈泡的壽命并起到了節(jié)能的效果。在科技快速發(fā)展的今天，智能家居產(chǎn)品有著十分廣闊的社會和商業(yè)前景。
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