光照度傳感器在智能家居照明系統中的應用

鐘柱培

東莞理工學校， 廣東東莞 523000

0 前言

隨著物聯網技術的高速發展和居民對生活質量要求的提高，越來越多的家居設備變得更加智能，傳統家居正逐漸被智能家居所取代，智能家居行業得到了空前發展。智能照明系統作為智能家居系統的一個重要子系統，具有高效節能、管理簡單、控制多樣化、控制成本低等特點。智能照明技術在智能家居中得到應用和推廣，進一步促進智能家居數字智能化的發展，讓人們的日常生活更舒適、更便利。光照度傳感器是智能照明系統中的核心光感模塊，它可以根據環境測定的光強度值設定不同的場景，以滿足人們日常生活便利的需要。

1 光照度傳感器的工作原理

光照度傳感器是基于光的原理發展的，是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器[1]。它采用熱點效應原理，通過對弱光性有較高反應的探測部件工作，就像相機的感光矩陣一樣，內部有繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層，熱接點在感應面上，而冷結點則位于機體內，冷熱接點產生溫差電動勢，在線性范圍內，輸出與可見光照射度成正比的電信號。光照度傳感器具體工作過程為：可見光通過濾光片過濾后照射到光敏元件上，光敏元件根據光照度大小轉換成電信號，電信號經過放大進入傳感器的處理器系統處理后，輸出需要得到的二進制電信號[2]。

光照度傳感器按輸出信號可分為有線輸出和無線輸出2種方式。有線輸出方式是指光照度傳感器輸出信號通過RS485總線與外界通信，實現其自動控制的目的，其內部結構框圖如圖1所示[3]；而無線輸出方式是指光照度傳感器將光信號精準轉化為模擬電信號，再經過ADC轉換成數字信號，最后通過I2C與ZigBee模組通信，把光照度值上傳給網關、云端，最后到達用戶手機App上顯示，其內部結構圖如圖2所示[4]。

2 光照度傳感器在智能家居照明系統中的作用

隨著科技的進步和現代生活的快速發展，照明系統應用中簡單的開關控制已不能滿足人們日常生活的需求。在萬物互聯的時代背景下，照明系統控制也要實現智能化，以滿足人們實際應用的需求。本文采用無線式的光照度傳感器（TLGT101W-C1），實物圖如圖3所示，傳感器電路板如圖4所示。該光照度傳感器主要由傳感檢測處理模塊和ZigBee通訊模塊2部分組成。其中，光照檢測處理模塊是至關重要的一環，通過傳感器內置的光敏元件，能夠將微弱變化的光信號轉換為電信號，經放大、濾波、比較等處理后傳入ZigBee模塊，最后以無線形式傳輸到智能網關主控制器進行邏輯分析與判斷，以按照人們的要求控制相關的終端設備[5]。光照控制系統示意圖如圖5所示。

無線光照度傳感器其實是一個基于ZigBee技術的光照度傳感器。ZigBee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協議為IEEE802.15.4協議標準，網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層的開發根據用戶自己的需要對其進行開發利用，因此，該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式[6]。

3 光照度傳感器在智能家居照明系統中的應用

在智能家居照明系統中，應用光照度傳感器對環境光照度進行實時的數據收集無線傳輸，顯示并自動調節燈、窗簾等家居終端設備，構建一個舒適方便的環境，滿足人們日常生活便利的需要。光照度傳感器在智能家居照明系統中安裝與調試如下。

3.1 光照度傳感器的安裝

光照度傳感器應安裝在四周空曠、感應面以上沒有任何障礙物的地方，將探測面對著被檢測環境需要檢測的部分。安裝步驟如下：先把傳感器的底部支架通過螺絲固定在天花板上，再把傳感器順時針方向螺旋轉到支架上，安裝圖解如圖6所示[7]。安裝固定后，插上充電線即能啟動光照度傳感器。

3.2 光照度傳感器的調試

3.2.1 光照度傳感器設置

在網關允許入網條件下，打開智慧家居App和彩燈App，短按光照度傳感器RESET鍵一下，綠燈閃爍進入找網狀態，當光照度傳感器綠色指示燈熄滅說明入網成功，可在設備列表里面看到入網成功的光照度傳感器，如圖7和圖8所示[8]。

使用抓包軟件Ubiqu抓包，抓包流程如圖9所示，入網時會上報光照度值等[9]。

抓包圖片指令說明：

（1）由設備發出，請求入網，設備一般會全信道掃描找網；

（2）設備關聯請求入網；

（3）設備數據請求，時長一般為60 s左右；

（4）查看到給設備分配的短地址；

（5）傳輸key；

（6）設備向網關廣播；

（7）網關回應設備，此時設備已經入網，但網關還沒有識別設備相關信息，如圖10所示：

（8）網關向設備發出的節點請求，設備給網關回應的節點數，如圖11所示：

（9）網關請求設備的描述符，設備回應網關描述符，如圖12所示[10]：

（10）設備入網結束，并在App上顯示該設備；

（11）狀態變更通知；

（12）狀態恢復通知；

（13）電量上報；

（14）查看光照度值。

短按光照度傳感器RESET鍵一下，綠燈閃爍，表示光照度傳感器已經退出ZigBee 網絡，也可以在App上退網。

3.2.2 光照度傳感器測試

當光照度傳感器安裝完成并入網成功后，光照度傳感器就進入了工作狀態，會實時地檢測室內的溫濕度并上報到手機，打開手機App的設備詳情就可以看見上報的數據，如圖13所示[11]。

3.2.3 光照度傳感器聯動運行

在App智能界面上添加條件為設備聯動，添加的條件為光照度傳感器，設置光照度值（Lux），添加的動作為需要聯動的場景。先設置太暗了、太亮了2個場景，當光照度值小于50 Lux值綁定提高燈的亮度場景，光照度值大于50 Lux綁定降低燈的亮度場景，如光照度值達到設定值時觸發對應綁定的場景。

（1）場景設定：在App智能初始界面上點擊場景，可以對場景進行配置，如圖14所示。

點擊場景列表界面右上角的配置，在彈出來的界面窗口中點擊場景配置，并輸入管理員密碼就可以進行新場景配置，如圖15所示，新場景配置主要配置場景名稱，這里輸入的內容是根據情景的內容分析進行命名為“太暗了”，并勾選編輯設備中的彩燈，把它的開光設置為“on”，如圖16所示，點擊彩燈右上角進入彩燈設置，滑動底部滑條對亮度進行調配，滑動到右邊把亮度調高，點擊保存，如圖17所示，添加新場景完成，并可在場景列表中看到剛才新添加的“太暗了”的場景[12]。

同理，添加“太亮了”的場景，并在場景列表中可以看到這2個新加進來的場景，如圖18所示。

（2）場景聯動：在App智能界面上添加條件為設備聯動，添加的條件為光照度傳感器，因此需要進入光照度傳感器的“設備詳情”添加智能聯動，如圖19所示[13]。點擊智能聯動進入智能聯動配置，包括聯動命名與觸發條件和添加需要聯動的場景。根據情景分析，這里設置聯動任務名為“太暗了”，觸發條件為光照度傳感器的狀態“小于”“50”，選擇聯動場景為“太暗了”，如圖20所示。

同理，設置聯動任務名為“太亮了”，觸發條件為光照度傳感器的狀態“大于”“50”，選擇聯動場景為“太亮了”，如圖21所示。添加完成可以在智能聯動界面看到這2個聯動任務的情況，如圖22所示[14]。

至此，對智慧教室系統聯動配置完成，當光照度值小于50 Lux值綁定提高燈的亮度場景，光照度值大于50Lux綁定降低燈的亮度場景。

3.3 智能照明系統故障檢修

智能照明系統出現故障時，針對故障進行分析，初步確定所在的位置，再運用所學專業知識，軟件與硬件相結合方式進行，這里主要介紹針對光照度傳感器出現故障的幾種情況進行檢修，具體方法如表1所示：

表1 物聯網光照度傳感器的檢修

4 結束語

光照度傳感器應用于智能家居照明系統中，通過光照度傳感器將環境光照信息轉化為模擬電信號，再經過ADC轉換成數字信號，通過I2C與ZigBee模組通信，把光照度值上傳給網關、云端和用戶手機App，從而實現智能家居照明系統智能化的控制，讓人們的生活環境更加舒適便利。隨著科技進步和智能化發展，在工農業生產、氣象、環保、國防、科研等領域都需要對光照度的檢測與控制，光照度傳感器的應用會越來越多，越來越廣[15]。