基于CC2530的校园智能照明系统设计

时间：2024-05-04

杨怀德

摘要：目前校园建设正朝着全面数字化、网络化、智能化的方向发展，因此研究并开发一种校园智能照明系统具有重要的实际意义。针对传统的校园照明系统在节约能源和应用灵活性方面存在的缺陷和不足，以CC2530为核心，将物联网技术与网络通信技术相结合，设计了一种既能够节能又能灵活适应校园文化活动的智能照明系统。

关键词： CC2530；校园；智能照明；物联网技术

中图分类号：V279+.2 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）06-52-04

Abstract： At present， the campus construction is developing in the direction of comprehensive digitization， networking and intelligence， so it has important practical significance to research and develop a kind of campus intelligent lighting system. Aiming at the defects and deficiencies of traditional campus lighting system existed in energy saving and application flexibility， taking CC2530 as the core， combining Internet of Things with network communication technology， an intelligent lighting system is designed in this paper， the system is energy-saving and can adapt to campus cultural activities flexibly.

Key words： CC2530； campus； intelligent lighting； Internet of Things

0 引言

在刚刚过去的2015年，我国物联网产业市场规模达到5000亿元，从智能安防到智能电网，从二维码普及到“智慧城市”落地，作为被寄予厚望的新兴产业，物联网正四处开花，悄然影响着人们的生活[1-3]。

在这一背景下，校园建设也迎来了新的契机，许多院校纷纷推出了基于物联网的智慧校园建设方案，这些方案虽然不尽相同，但都涉及到教室智能照明。

传统的教室照明系统都是基于人工控制的，其存在两方面的问题：一是能量浪费的问题，调查中发现，在教室里没有人或人很少的情况下，教室里的灯仍旧常亮，导致了大量的能量浪费；二是无法满足新时代的校园活动需求，许多校园兴趣小组、团体经常需要在教室举行一些小型活动，会需要多种颜色的、不同亮度的灯光效果，而传统的照明系统无法满足这一需求。

本文探讨利用对物联网有着良好支持性的CC2530芯片，结合网络技术设计了一种智能照明系统用于教室灯光控制。该系统能通过人体红外模块感知到灯附近的人体并自适应的控制灯的开关，实现不同颜色的灯光及亮度的控制，满足了智慧校园建设对于教室照明系统的需求。

1 系统设计

1.1 系统平台介绍

该系统采用德州仪器的CC2530为硬件平台，CC2530是用于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。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256。其分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它特别适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗[4-5]。

系统的总体结构如图1所示，在普通模式下，通过人体红外模块对照明灯附近的人体进行感知，并结合采集到的当时的光感信息，对相应的继电器进行控制，从而实现对照明灯的开关控制。这一过程是一个典型的物联网技术的应用；在特殊模式下，通过手机来对效果灯进行亮度和其他效果的控制，以适应一些特殊场景的要求。

1.2 系统硬件设计

教室智能照明系统硬件系统由核心模块、人体红外模块、光照度传感模块、灯光控制模块、无线透传模块五个部分组成。在综合考虑各硬件设备的稳定性、功耗、价格灯参数后，本系统的主控板的核心芯片选取CC2530（256）型号，人体红外模块为HC-SR501，光感设备为森霸LBCETC1-60，继电器模块为松乐继电器，无线透传模块为ESP8266。

核心模块设计主要包括CC2530核心板及供电、时钟等部分，其电路设计图如图2所示。

人体感应模块的功能是对灯附近的人体进行感应，使用红外传感器判断有没有人。红外传感器探测到人体发出的红外线后产生一个相应的输出信号，通过P0_4传送给CC2530进行相应处理，其电路设计如图3所示。

光照度信息传感模块的功能是采集教室光线亮度信息，选用光电传感器来完成。光电传感器一般可以分为两类，即模拟式传感器以及脉冲式传感器[6-9]。模拟式传感器的工作原理主要是基于光电器件的光电流随光通量变化而发生变化的现象，这样光电流就成为被测非电量的函数；脉冲式光电传感器的作用原理是光电器件只能感知到光的有无两个状态，即光电器件受光时，无电信号输出，本系统采用第二种光电传感器。其电路图如图4所示。

灯光控制模块的功能是控制灯的电源供给和效果灯的亮度、闪烁效果。其灯的电源供给控制的原理是根据继电器的信号触发端的输入信号来决定是否给灯供电，其电路图如图5所示。而效果灯亮度和闪烁效果是通过CC2530内部定时器模拟PWM来产生合适的脉冲作为效果灯的开关来达到控制效果。

无线透传模块的功能是提供主控板与手机之间进行信息交互的接口，设备初始化成功后，可以让设备及手机接入同一个无线网络，从而可以使主控设备很方便的接受手机端传送过来的信息，进而对灯光进行相应的控制。其电路结构如图6所示。

1.3 系统软件设计

智能照明系统软件设计对于整个系统的稳定性和可靠性起着非常重要的作用。系统采用集成开发环境进行开发“软件设计尽量采用模块化、标准化的设计思想、分段编程、分段调试；各个功能模块相互独立，尽量使它们松散耦合，便于将来进行维护和功能增强。总之，在整个系统的软件设计中，充分发挥了硬件的特性，控制流程简洁精确，反应灵敏，优先级控制使用得当，并且在软件控制中充分发挥了中断和定时功能，使整个系统反应更加及时灵敏。

系统软件由CC2530控制板和手机端应用程序两部分组成。控制板部分软件主要实现两个功能：一是实时采集光照度和人体红外信息，一旦发现有人进入照明区域，立即结合当时光照度信息来决定是否设置相应的继电器进行供电；二是对从WIFI透传模块接收到的信息进行分析处理，并控制效果灯的效果。其程序流程图如图7所示。初始化阶段需要对CC2530的相关GPIO断开的功能选择寄存器和方向寄存器进行初始化，此外还需要对中断寄存器、传感模块和无线透传模块进行初始化，这些都初始化完成之后，最后打开系统全局中断。中断处理部分主要是对接收到的从手机发送过来的数据进行解析，并对灯的效果进行设置。人体红外和光照信息的采集部分主要是根据传感器的时序要求进行数据采集。

手机端程序功能是给用户提供灯的效果控制的操作界面，并通过网络给相应的控制板发送命令。其程序流程图如图8所示。

2 结论及展望

本文着重研究了基于CC2530的教室智能照明系统的设计，给出了系统的设计框架图，并详细讨论了系统硬件和软件实现方案。本文设计的照明控制系统适用于大多数校园的需求而且也为后续功能的开发和完善做了铺垫。下一步将研究校园其他场所的照明控制，进一步完善智慧校园建设。

参考文献（References）：

[1] 贾志城，白建军.基于ZigBee网络的图书馆智能照明系统设

计[J].建筑设计管理，2014.4：76-79

[2] 王敏，武阳，王宁等.基于物联网架构的智能照明系统的设计

与实现[J].电工技术学报，2015.S1.

[3] 张玉杰，翟楠.超市智能照明控制系统[J].计算机测量与控制，

2014.22（11）.

[4] 魏立明，徐成波，林君.智能照明控制系统设计[J].吉林建筑大

学学报，2014.31（2）：74-76