智能照明裝置創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)踐與探索

陳劍雪 王宇嘉 王曉軍 麻超 劉熙昌 孔祥營(yíng)

摘 要 本文從本科生實(shí)際情況出發(fā)，基于一個(gè)具體的智能照明裝置創(chuàng)新項(xiàng)目，介紹了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過程，探討了基于當(dāng)下的各種開放開源平臺(tái)，如何切實(shí)提高本科生動(dòng)手創(chuàng)新能力的教學(xué)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)新 智能照明裝置 實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TU113.66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.01.075

Practice and Exploration of Innovation Project

on Intelligent Lighting Device

CHEN Jianxue， WANG Yujiang， WANG Xiaojun， MA Chao， LIU Xichang， KONG Xiangying

Abstract This paper introduces the experience of how to execute the innovation experiment project in college application education， that is， a practical intelligent lighting device project. Also， the method of improving the innovation ability of college students is discussed under various open platforms in information industry and technology.

Key words innovation; intelligent lighting device; practice

0 引言

創(chuàng)新是素質(zhì)教育的關(guān)鍵。高等教育作為知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新體系的基礎(chǔ)，其責(zé)任就是要培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專門人才。培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，是高等學(xué)校教育的重要內(nèi)涵，是學(xué)生自身發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。通過歷年創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施，表明在自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、電子信息等相關(guān)領(lǐng)域中，結(jié)合信息領(lǐng)域新技術(shù)和工程實(shí)際問題的創(chuàng)新項(xiàng)目，有效地培養(yǎng)了本科生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。本文結(jié)合智能照明裝置創(chuàng)新項(xiàng)目，探討創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)施的一些具體經(jīng)驗(yàn)。

1 創(chuàng)新項(xiàng)目的提出

智能家居是當(dāng)前最熱的研究方向之一，在電子設(shè)備和智能手機(jī)越來越普及的時(shí)代，智能家居的各種開發(fā)創(chuàng)意越來越受到重視。智能家居的照明控制系統(tǒng)，就是根據(jù)某一區(qū)域的功能，每天不同的時(shí)間、室外光亮度或該區(qū)域的用途來自動(dòng)控制照明，是整個(gè)智能家居的基礎(chǔ)部分。在智能照明系統(tǒng)中，用于燈光照明控制時(shí)能對(duì)電燈進(jìn)行單個(gè)獨(dú)立的開、關(guān)、調(diào)光等功能控制，也能對(duì)多個(gè)電燈的組合進(jìn)行分組控制，方便用不同燈光編排組合形式營(yíng)造出特定的氣氛。智能照明系統(tǒng)中接入各種傳感器對(duì)燈光進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光，燈具的光線自動(dòng)地由暗逐漸到亮，或由亮逐漸到暗。智能照明系統(tǒng)應(yīng)用在智能建筑中，不僅能營(yíng)造出舒適的生活、工作環(huán)境以及現(xiàn)代化的管理方式，而且還具有一定的節(jié)能效果。

從學(xué)校大學(xué)生的實(shí)際情況出發(fā)，不能選擇需要投入大量精力和資金的工業(yè)智能照明裝置的技術(shù)路線，必須考慮一年以內(nèi)可以完成并且可以控制成本的解決方案。為此，首先收集了 ?市場(chǎng)上智能照明工業(yè)產(chǎn)品的相關(guān)信息。

飛利浦推出的Hue LED智能照明解決方案代表了較為先進(jìn)的技術(shù)水平，支持1600萬(wàn)種顏色變化以及開放式的開發(fā)接口和社區(qū)支持，使用高速32位STM方案并支持TI2530 Zigbee，操控軟件上對(duì)接IOS蘋果APP或者Android系統(tǒng)，但是其高昂的成本和售價(jià)也阻礙了產(chǎn)品的大規(guī)模推廣。美國(guó)售價(jià)199美元起，包括一組3個(gè)LED燈加連接到路由器的Bridge設(shè)備，每額外添加一個(gè)LED燈的價(jià)格是59美元，額外添加一個(gè)Bridge設(shè)備的價(jià)格是50美元。整套系統(tǒng)在歐洲和英國(guó)的價(jià)格更為昂貴。在上海正式向中國(guó)市場(chǎng)發(fā)布時(shí)，初始套裝售價(jià)1689元起。以上的價(jià)格均不包括家用路由器成本、手機(jī)端的軟硬件成本。這樣，項(xiàng)目組從盡可能降低成本的角度切入，參考Hue LED的產(chǎn)品方案來進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

Arduino是目前較為流行的電子互動(dòng)平臺(tái)，基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡(jiǎn)單、功能多樣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)方面。Arduino接口眾多，各種配件較為齊全，開發(fā)調(diào)試和部署都非常方便，已經(jīng)出現(xiàn)非常多地使用arduino來作為智能家居開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用。本智能照明系統(tǒng)以極低成本方式實(shí)現(xiàn)部分Hue系統(tǒng)的智能照明功能，采用arduino單片機(jī)接受溫度和超聲波等傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)，根據(jù)環(huán)境的溫度或物體的距離來實(shí)現(xiàn)燈光的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2 創(chuàng)新項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)和實(shí)施

在創(chuàng)新項(xiàng)目的立項(xiàng)階段，需要?jiǎng)?chuàng)新項(xiàng)目組成員的共同努力。這個(gè)階段，項(xiàng)目組成員的知識(shí)面、技能基礎(chǔ)和技術(shù)眼光，往往在很大程度上決定了項(xiàng)目后續(xù)實(shí)施的順利程度。這個(gè)階段，對(duì)項(xiàng)目組成員的要求是能把握住整個(gè)項(xiàng)目的整體方向和技術(shù)路線，充分收集相關(guān)的技術(shù)資料和文獻(xiàn)，思考問題，解決問題，提高自身的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

在大量閱讀相關(guān)文獻(xiàn)后，創(chuàng)新項(xiàng)目組確定了智能家居照明裝置的硬件設(shè)計(jì)方案。智能家居照明系統(tǒng)包括燈光模塊、核心模塊和檢測(cè)模塊。燈光模塊為Arduino Mega單片機(jī)所連接的全彩LED模塊;核心模塊為Arduino Mega單片機(jī);檢測(cè)模塊由溫度傳感器、超聲波傳感器、熱釋電人體紅外線傳感器共同組成。項(xiàng)目基于arduino單片機(jī)，連接溫度、超聲波等傳感器，分別采集環(huán)境溫度、物體距離等數(shù)據(jù)，通過PWM信號(hào)輸出控制全彩LED的R、G、B三原色。

硬件方案定型之后，項(xiàng)目組成員對(duì)智能家居照明裝置進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計(jì)，根據(jù)前期的軟件基礎(chǔ)和準(zhǔn)備進(jìn)行軟件功能的設(shè)計(jì)，這時(shí)候培養(yǎng)了學(xué)生將創(chuàng)新思想落實(shí)到具體產(chǎn)品中并加以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的能力。經(jīng)過項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)的充分討論，決定該項(xiàng)目的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)大致如下：系統(tǒng)中arduino功能設(shè)計(jì)為4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）。配置操控界面可以在Android手機(jī)上開發(fā)實(shí)現(xiàn)。Arduino板卡和Android手機(jī)通過藍(lán)牙或者WiFi進(jìn)行通訊。這一功能的設(shè)計(jì)主要還是立足于模仿飛利浦的Hue系統(tǒng)功能，側(cè)重點(diǎn)在于以極低成本實(shí)現(xiàn)智能照明的基本功能，從這個(gè)層面上說，學(xué)生們提出的如果能以低成本實(shí)現(xiàn)主流功能，其實(shí)也是某種意義上的技術(shù)創(chuàng)新。

第二層次，在arduino上加裝溫度傳感器，如DHT11溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境的溫度來自動(dòng)開關(guān)燈或者自動(dòng)調(diào)節(jié)燈的亮度。溫度高時(shí)，可以開啟冷光燈來補(bǔ)充光源，溫度低時(shí)，可以開啟熱光燈來補(bǔ)充電源。

第三層次，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)離之時(shí)，arduino又會(huì)自動(dòng)逐步減弱LED發(fā)光強(qiáng)度直至滅燈。

第四層次，在arduino上加裝熱釋電紅外傳感器，通過熱釋電紅外傳感器采集室內(nèi)是否有人等信息送到arduino，arduino根據(jù)這些信息對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作，從而實(shí)現(xiàn)照明控制，以達(dá)到節(jié)能的目的。

在這個(gè)功能的設(shè)計(jì)中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新意識(shí)得到了充分發(fā)揮。大家仔細(xì)研究了市面上的智能照明產(chǎn)品之后，認(rèn)為現(xiàn)有的很多產(chǎn)品功能比較復(fù)雜，比較注重細(xì)分人群的需求，如加入光照和音樂的配合因素、加入手勢(shì)對(duì)配色的影響、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置照明等。對(duì)于一個(gè)低成本的智能照明裝置，可以考慮夜間人起夜時(shí)的自動(dòng)照明需求，從這個(gè)常見的需求出發(fā)，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的自明、靜音功能，然后很自然地進(jìn)一步設(shè)計(jì)出人體探測(cè)、無(wú)級(jí)變光、智能節(jié)電功能。

在整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，指導(dǎo)老師比較注重有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、領(lǐng)導(dǎo)能力和合作精神。在設(shè)計(jì)過程中，項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)需要合理安排計(jì)劃進(jìn)度、人力分配，各個(gè)成員的分工配合，不同技術(shù)方向上的知識(shí)準(zhǔn)備和攻關(guān)。這里涉及到很多知識(shí)，比如arduino的開發(fā)、傳感器的原理研究等，對(duì)于還在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的大學(xué)生來說，也是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

作為一個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目，除了做出成型的樣機(jī)，還有一定的學(xué)術(shù)要求，本項(xiàng)目還具體要求發(fā)表論文、專利申請(qǐng)和軟件著作權(quán)申請(qǐng)。論文的撰寫、專利申請(qǐng)和軟件著作權(quán)的申請(qǐng)，對(duì)學(xué)生而言，也是很好的鍛煉機(jī)會(huì)。整個(gè)過程中，基本做到了緊張有序，每個(gè)人都得到了充分鍛煉。

3 總結(jié)

本智能照明裝置創(chuàng)新項(xiàng)目涉及到arduino開發(fā)、LED燈光配置、傳感器原理等知識(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，成本極為低廉，是一次非常好的創(chuàng)新實(shí)踐機(jī)會(huì)?；仡櫿麄€(gè)項(xiàng)目，從預(yù)研、立項(xiàng)、設(shè)計(jì)到實(shí)施，項(xiàng)目組成員廣泛閱讀了大量的技術(shù)資料，成功完成了智能照明裝置樣機(jī)的接線、編程和調(diào)試，并完成了論文的撰寫和專利、軟件著作權(quán)的申請(qǐng)，極大地鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和科研能力，項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新意識(shí)得到了充分發(fā)揮。本次創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐中，還可以進(jìn)一步加大產(chǎn)品的市場(chǎng)實(shí)踐環(huán)節(jié)?？梢钥紤]讓學(xué)生去做一定的產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)查、產(chǎn)品市場(chǎng)推介或者聯(lián)系行業(yè)內(nèi)廠家的工作，可以更好地體會(huì)創(chuàng)新產(chǎn)品的成果轉(zhuǎn)化過程和難度。

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