進(jìn)行智能照明改造后的地下車(chē)庫
文 / 陳國光（北京中電瑞達物業(yè)有限公司副總經(jīng)理）
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的快速發(fā)展，智能照明控制系統作為其核心組成部分，不僅提高了生活的便利性，更在節能減排方面顯示出巨大的潛力，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注。但是，當前國內外對于智能照明控制系統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集成方面，往往忽略了現實(shí)中的可行性和成本效益分析，導致理論成果難以在實(shí)際中得到廣泛應用。此外，現有研究大多偏重于技術(shù)層面，對于用戶(hù)體驗和實(shí)際應用場(chǎng)景的考慮不足，使得系統的實(shí)用性和靈活性有待提高。針對現有研究的不足，本文將從以下幾個(gè)方面展開(kāi)工作：首先綜合考慮成本和性能指標，選擇適合的硬件平臺和傳感器類(lèi)型，確保系統的實(shí)用性和經(jīng)濟性；其次設計易于操作的用戶(hù)界面，并考慮到不同用戶(hù)的需求，提高系統的適用性和靈活性；最后，通過(guò)實(shí)地測試和模擬實(shí)驗，驗證系統的穩定性和可靠性，確保其在不同環(huán)境下都能表現出良好的控制效果。
智能照明系統整體設計
智能照明控制系統的設計旨在通過(guò)高效且靈活的控制策略，實(shí)現對照明設備的智能調節，以達到節能和提升用戶(hù)體驗的目的。系統整體設計如圖1所示，該系統以STM32F103系列單片機作為核心控制單元，結合傳感器技術(shù)，能夠根據不同環(huán)境變化和用戶(hù)需求，自動(dòng)調整照明亮度，從而在保證照明效果的同時(shí)降低能耗。
圖1 系統整體設計
系統設計首先考慮的是其主控制器的選擇。STM32F103系列單片機因其高性能、低功耗以及成本效益高的特性被選中。該單片機基于A(yíng)RM Cortex-M處理器架構，不僅擁有強大的數據處理能力，還提供了豐富的外設資源，為系統的多功能性和可擴展性提供了堅實(shí)的硬件支持。在傳感器選擇上，系統采用傳感器來(lái)實(shí)現對環(huán)境的感知能力。傳感器能夠精確探測到車(chē)輛位置及與探測器之間的距離，為智能調節照明亮度提供準確的數據支持。系統軟件設計方面，利用STM32單片機提供的豐富軟件庫和開(kāi)發(fā)工具，可以快速開(kāi)發(fā)出穩定高效的控制程序。
在系統硬件設計方面，結構如圖2所示。LED燈具終端節點(diǎn)的電路設計是整個(gè)系統的基礎，主要由控制電路和驅動(dòng)電路組成。系統通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )與協(xié)調器通信，電源電路為整個(gè)節點(diǎn)提供必要的電力支持，而溫度傳感器電路則負責監測LED的溫度，確保其在安全的工作范圍內運行，同時(shí)為過(guò)溫保護機制提供數據支持。照度傳感器電路的作用是收集環(huán)境光照強度信息，這對于實(shí)現恒照度照明至關(guān)重要。驅動(dòng)電路的設計同樣關(guān)鍵，它包括AC/DC轉換電路、PFC功率因數校正電路、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別下穩定運行。恒流源控制電路則根據微控制器輸出的PWM信號調整輸出電流的大小，從而實(shí)現對LED亮度的精確調節。
圖2 系統硬件結構
時(shí)鐘電路在系統中的作用類(lèi)似于計算機中的節拍器，它不僅控制著(zhù)系統內部各個(gè)模塊的工作節奏，還協(xié)調它們按照規定的順序和時(shí)間運行，這對于實(shí)現系統的高效和穩定運行至關(guān)重要。系統時(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，確保系統中各模塊能夠同步工作。其中時(shí)鐘電路結構如圖3所示。
圖3 時(shí)鐘電路
在設計時(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(wèn)題。電路的布局應該盡量減少信號傳輸過(guò)程中的延遲和干擾，而阻抗匹配則是為了確保信號在傳輸過(guò)程中不會(huì )因為反射而導致失真，這些細節的處理與保證時(shí)鐘信號的質(zhì)量息息相關(guān)。此外，時(shí)鐘電路還應該具備一定的抗干擾能力，以適應各種復雜的工作環(huán)境。
復位電路的核心功能是將整個(gè)系統恢復到其初始狀態(tài)，確保系統能夠從已知的狀態(tài)重新開(kāi)始操作，這對于系統的穩定運行和故障恢復至關(guān)重要。在本研究中，采用了一種簡(jiǎn)單而有效的低電平復位方式來(lái)實(shí)現這一功能。具體如圖4所示，復位電路包括一個(gè)上拉電阻和一個(gè)開(kāi)關(guān)，上拉電阻保證了在沒(méi)有外部干預時(shí)RESET腳能夠維持在高電平狀態(tài)，而開(kāi)關(guān)則連接在RESET腳和地之間，當開(kāi)關(guān)被閉合（即按鍵被按下）時(shí)，RESET腳直接接地，從而實(shí)現了低電平的輸入。
圖4 復位電路
在智能照明控制系統的設計與實(shí)踐研究中，電源模塊的設計是確保系統穩定運行的基礎。該電源模塊主要負責向系統中的關(guān)鍵組件：主控STM32芯片、雷達傳感器HLK-LD012-5G模塊以及CAN收發(fā)器TJA1050芯片提供所需的電力供應。為了滿(mǎn)足不同組件的電壓需求，設計中采用了兩種穩壓芯片：AS1117-3.3V用于輸出3.3V電壓，而78M05則用于提供5V電壓。對于需要3.3V供電的組件，設計中引入了AS1117-3.3V穩壓器，該穩壓器能夠接收來(lái)自78M05穩壓器輸出的5V直流電壓，并將其降至穩定的3.3V輸出，滿(mǎn)足這些敏感元件的供電需求。
智能照明系統軟件設計
智能照明控制系統的設計與實(shí)踐研究主程序設計，首先需要對STM32單片機進(jìn)行系統初始化，根據上位機的選擇，確定系統工作在自動(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(guò)上位機界面對燈具進(jìn)行開(kāi)通與關(guān)閉操作。為了應對緊急情況如火災等，系統會(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(guò)上位機界面設置燈具的亮度，實(shí)現靈活的照明控制，其中系統主程序流程如圖5所示。
圖5 系統主程序流程
在自動(dòng)控制模式下，雷達傳感器檢測電路開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)采集車(chē)輛及人員位置信息。當有物體運動(dòng)到雷達傳感器的感應范圍內時(shí)，系統會(huì )根據物體的距離和速度計算出相應的亮度值，并通過(guò)調節PWM占空比來(lái)控制LED燈的亮度。具體來(lái)說(shuō)，當物體靠近時(shí)，燈具亮度逐漸增加；當物體遠離時(shí)，燈具亮度逐漸降低，這樣既能滿(mǎn)足照明需求，又能降低能耗。
為了實(shí)現上述功能，需要編寫(xiě)相應的C語(yǔ)言程序代碼。首先，在Keil uVision5 MDK軟件中創(chuàng )建一個(gè)新的項目，并配置好STM32單片機的相關(guān)參數。按照功能模塊劃分編寫(xiě)各個(gè)子程序，在編寫(xiě)過(guò)程中，要注意代碼的可讀性和可維護性，遵循一定的編程規范。最后，將編寫(xiě)好的程序燒錄到STM32單片機中，并與實(shí)際的硬件系統進(jìn)行聯(lián)調。通過(guò)實(shí)驗驗證，確保系統能夠正常運行并實(shí)現預期的功能。
上位機模塊設計則采用USARTHMI軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在上位機模塊設計中，首先打開(kāi)USARTHMI軟件，創(chuàng )建一個(gè)新的文件，根據所選顯示屏的尺寸型號進(jìn)行設置，確保界面設計與實(shí)際屏幕相匹配。接下來(lái)，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)出現文字錯誤。完成這些基本設置后，點(diǎn)擊OK，即可完成工程的建立。接下來(lái)，在USARTHMI軟件中設計人機交互界面，利用軟件提供的工具和控件，如按鈕、滑塊、文本框等，設計簡(jiǎn)潔直觀(guān)的操作界面。
設計完成后，使用USARTHMI軟件生成相應的代碼，將代碼與STM32單片機進(jìn)行通信連接，實(shí)現上位機與下位機的數據傳輸和指令控制。通過(guò)串口通信功能，上位機可以實(shí)時(shí)向下位機發(fā)送控制指令，并接收下位機的反饋信息。最后，對上位機模塊進(jìn)行測試和驗證，通過(guò)實(shí)際操作驗證界面設計的合理性和易用性，確保上位機能夠準確、穩定地向下位機發(fā)送控制指令。同時(shí)，檢查上位機接收到的反饋信息是否準確無(wú)誤，以保證整個(gè)智能照明控制系統的穩定性和可靠性。
在智能照明控制系統的設計與實(shí)踐研究中，系統應用效果分析是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節，本文通過(guò)對地下停車(chē)場(chǎng)的實(shí)際應用測試，對智能照明控制系統的性能進(jìn)行了全面的評估。實(shí)驗場(chǎng)地設在一個(gè)地下停車(chē)場(chǎng)，共分為5個(gè)區域，每個(gè)區域安裝了3盞燈。在將程序寫(xiě)入電路板并進(jìn)行現場(chǎng)測試后，測試觀(guān)測數據顯示，當有人通過(guò)時(shí)，燈光亮度能夠自動(dòng)調節到100%，為行人提供充足的照明；而在無(wú)人通過(guò)時(shí)，系統則維持較低的亮度，避免了不必要的能源浪費，實(shí)現了“按需照明”的目標。
此外，當不同的行人同時(shí)通過(guò)時(shí)，系統也能夠根據不同的情況展示出相同的照明效果。根據實(shí)驗結果，與傳統熒光燈照明系統相比，LED照明系統在節約能源方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。即使不使用智能控制，LED照明系統也能夠節約約50%的能源。然而，在加入智能控制后，節約的能源量可以進(jìn)一步提高10%至20%，這得益于智能控制系統能夠確保照明系統在適當的時(shí)間自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，并根據不同信息實(shí)現智能化控制。
結論
本文的研究和實(shí)踐表明，智能照明控制系統在提高能源利用效率和增強用戶(hù)體驗方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。實(shí)驗測試表明，系統能夠根據環(huán)境變化和用戶(hù)需求自動(dòng)調整亮度，與傳統熒光燈系統相比，LED照明在加入智能控制后能進(jìn)一步節約約10%至20%的能源。同時(shí)，智能照片控制系統也為未來(lái)工作指明了方向。例如，當前系統主要側重于單一場(chǎng)景下的應用，而智能家居環(huán)境下的多場(chǎng)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(zhù)人工智能和機器學(xué)習技術(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中，以實(shí)現更為智能化的照明控制，也是未來(lái)研究的重要內容。