基于Arduino的智能照明設(shè)計(jì)

劉熙昌 孔祥營(yíng) 孫景明 單麗媛 陳劍雪

摘 要 Arduino是一款電子互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)的軟硬件平臺(tái)。以Arduino單片機(jī)為基礎(chǔ)配置超聲波傳感器和溫度傳感器搭建智能照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家用LED燈可以根據(jù)人體距離燈的遠(yuǎn)近而自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光的亮度，并可根據(jù)環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)光的色彩。在日常家居生活中，此類智能照明系統(tǒng)既能使人們的生活更加舒適也可以有效地實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能。

關(guān)鍵詞 Arduino單片機(jī) 智能照明 照明節(jié)能

中圖分類號(hào)：TU113.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.02.065

Design of the Intelligent Illumination System based on Arduino

LIU Xichang， KONG Xiangying， SUN Jingming， SHAN Liyuan， CHEN Jianxue

（College of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）

Abstract Arduino is a popular electronic interactive platform at present. Intelligent Illumination System is designed based on Arduino single chip， ultrasonic sensor and temperature sensor. Brightness of the LED lamp can be adjusted automatically according to the human body distance to the lamp， and also the environment temperature can tune the color of light accordingly. In the daily life， such intelligent illumination system can make people's life more comfortable and achieve the ilumination energy saving.

Key words Arduino single chip; intelligent illumination; illumination energy saving

0 引言

在電子設(shè)備和智能手機(jī)越來(lái)越普及的時(shí)代，智能家居的各種開發(fā)創(chuàng)意越來(lái)越受到重視。智能照明就是其中一個(gè)應(yīng)用價(jià)值比較大的切入點(diǎn)。而目前如飛利浦等智能照明成本過高，其高昂的成本和售價(jià)阻礙了產(chǎn)品的大規(guī)模推廣。同時(shí)，現(xiàn)代生活節(jié)奏快，壓力大，所以家居照明的調(diào)節(jié)情緒緩解壓力的作用也可以作為打開市場(chǎng)的試金石。

而Arduino是目前較為流行的一款電子互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，此平臺(tái)由硬件和軟件兩部分組成，軟硬件都是開源的，任何人都可以在Arduino官方網(wǎng)站上獲取最新的PCB設(shè)計(jì)。在軟件方面，Arduino有自己的IDE軟件開發(fā)環(huán)境，采用類C++的高級(jí)開發(fā)語(yǔ)言，且有大量的庫(kù)函數(shù)支持，大大簡(jiǎn)化了程序開發(fā)工作。鑒于 Arduino開發(fā)平臺(tái)的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文基于Arduino單片機(jī)，以極低成本方式實(shí)現(xiàn)類似或者部分Hue系統(tǒng)的智能照明功能。甚至在某些特別功能設(shè)計(jì)的創(chuàng)新上，期望能夠不同于目前的Hue系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計(jì)

本智能照明系統(tǒng)中arduino功能擬設(shè)計(jì)為2層，模版配色功能及智能感知功能。

第一層次為簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)Hue系統(tǒng)的主要功能，即提供幾種固定的智能燈光配置，設(shè)想以2個(gè)LED燈泡為例，arduino以預(yù)設(shè)的調(diào)色方案去控制2個(gè)LED燈泡，比如家庭閱讀方案（亮黃、亮白組合）或者夜燈方案（弱白色為主）。

第二層次，在arduino上加裝超聲波傳感器，初定為US-100帶溫度補(bǔ)償?shù)某暡K，可以同時(shí)測(cè)距測(cè)溫。這樣可以實(shí)現(xiàn)arduino對(duì)人體的自動(dòng)感知功能，該功能設(shè)計(jì)為夜間探測(cè)到人體后自動(dòng)亮燈，并且隨著人體的走近逐步自動(dòng)加亮LED燈，待夜間行動(dòng)人體逐漸遠(yuǎn)離LED燈時(shí)，arduino又會(huì)自動(dòng)逐步減弱LED發(fā)光強(qiáng)度直至滅燈。

圖1 LED燈和超聲波傳感器連接示意圖

圖2 智能照明系統(tǒng)接線圖

在實(shí)現(xiàn)中，利用到了Arduino PWM來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，由于計(jì)算機(jī)不能輸出模擬電壓，只能輸出0V或5V的數(shù)字電壓值，可以通過使用高分辨率計(jì)數(shù)器，利用方波的占空比被調(diào)制的方法來(lái)對(duì)一個(gè)（下轉(zhuǎn)第152頁(yè)）（上接第132頁(yè)）具體的模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。輸出的電壓值是通過通和斷的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的。

在智能照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，涉及到arduino開發(fā)、LED燈光配置、超聲波探測(cè)開發(fā)，Arduino PWM 等知識(shí)和技能，在功能上初步實(shí)現(xiàn)了Hue系統(tǒng)的設(shè)想，并且在智能感知調(diào)光功能上有所創(chuàng)新（智能化、節(jié)能化），比目前的家庭燈光系統(tǒng)功能大為拓展，且成本極為低廉。

2 實(shí)驗(yàn)過程

以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)，通過查閱文獻(xiàn)進(jìn)一步學(xué)習(xí)Ardunio 語(yǔ)言，在老師的幫助和小組成員的不懈努力下，項(xiàng)目成員對(duì)Arduino語(yǔ)言進(jìn)行不斷的練習(xí)，并逐漸掌握了Arduino程序的編寫。

（1）調(diào)試一個(gè)簡(jiǎn)單的程序使得LED燈正常發(fā)光。（2）在單片機(jī)上加一個(gè)超聲波測(cè)距模塊，將預(yù)調(diào)試成功的程序燒入單片機(jī)后，進(jìn)行測(cè)試。起初燈光只可以根據(jù)人體的靠近而進(jìn)行亮滅并不能漸變色彩，在大家細(xì)心地觀察分析下，發(fā)現(xiàn)其原因，進(jìn)行重新實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)想，LED燈可以根據(jù)人體的靠近而變亮，且燈光逐漸增強(qiáng)，并隨人體的遠(yuǎn)離而熄滅。（3）在超聲波調(diào)控的基礎(chǔ)上，又在arduino上加裝紅外傳感器，初定為D-SUN的人體熱釋電紅外傳感器，通過紅外感測(cè)運(yùn)動(dòng)人體的存在。當(dāng)感知到運(yùn)動(dòng)物體的存在時(shí)，相應(yīng)的指示燈就會(huì)變亮?？梢栽诓煌奈恢冒惭b多個(gè)紅外傳感器，通過觀察相應(yīng)指示燈，就可以知道運(yùn)動(dòng)物體的位置。紅外傳感器是我們整個(gè)實(shí)驗(yàn)中基本來(lái)說最難的一部分，很多地方都是經(jīng)過大量的調(diào)試，查閱許多的資料后才弄清楚到底是怎么一回事。在不斷的編程調(diào)試運(yùn)行、檢驗(yàn)后，最終將智能照明系統(tǒng)制作出來(lái)。

在經(jīng)過4個(gè)月的學(xué)習(xí)研究后，創(chuàng)新項(xiàng)目取得了一些成果，初步完成基于Arduino單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)。作為進(jìn)入大學(xué)首次接觸電子創(chuàng)新項(xiàng)目的大學(xué)生來(lái)說，這既是一次學(xué)習(xí)生活的經(jīng)歷，又是我們?cè)趧?chuàng)新科研道路上的一次飛躍。

在起初的材料搜集整理中，由于大家對(duì)這方面的知識(shí)不是特別熟悉，不免出現(xiàn)精力不集中甚至煩躁的情緒，但是大家彼此鼓勵(lì)一步步克服困難走了下來(lái)。在這次創(chuàng)新項(xiàng)目中，項(xiàng)目成員有著明確的分工，硬件安裝、查閱資料、軟件的開發(fā)與調(diào)試。大家各司其職，不斷地去探索去克服自己所面對(duì)的困難，由此也深刻體會(huì)到了做實(shí)際產(chǎn)品不容易的道理，并且也發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作是那么的重要，團(tuán)隊(duì)精神是創(chuàng)新的強(qiáng)大保障。

3 結(jié)語(yǔ)

基于Arduino單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)人體距離設(shè)備的遠(yuǎn)近進(jìn)行燈的開啟、熄滅和調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度，而且根據(jù)周圍環(huán)境溫度的變化燈光變換不同的顏色。不僅如此，成本較為低廉的Arduino主板可以代替Hue系統(tǒng)的功能，更加適宜走進(jìn)千家萬(wàn)戶，具有很大的潛在商業(yè)價(jià)值。同時(shí)，所有參與者在整個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)施過程中，積極參與，在查閱文獻(xiàn)、進(jìn)行調(diào)研后，不斷和指導(dǎo)教師溝通，進(jìn)行系統(tǒng)的接線和編程調(diào)試。在經(jīng)過創(chuàng)新項(xiàng)目的鍛煉后，我們自身的綜合素質(zhì)得到了很大的提高，實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、解決問題的能力都有了很大的提高，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力明顯提高。同時(shí)，創(chuàng)新項(xiàng)目能夠尊重我們個(gè)性發(fā)展和興趣取向，因材施教，調(diào)動(dòng)我們自身學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，切實(shí)提高參與者的實(shí)踐創(chuàng)新能力，符合全社會(huì)對(duì)教育部門人才培養(yǎng)的迫切要求，創(chuàng)新項(xiàng)目有助于提高高校畢業(yè)生的競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)輸送更多優(yōu)秀的人才。

參考文獻(xiàn)

[1] （德）MaikSchmidt.玩轉(zhuǎn)Arduino快速入門指南[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[2] 陳呂洲.Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[3] 榮學(xué)娟，牛萍娟，徐秀知，李曉霞.室內(nèi)照明的智能控制系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶，2009（4）.