基于Arduino開發(fā)平臺(tái)下智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)

侯羽　張黔

摘要 Arduino是目前較為流行的電子互動(dòng)平臺(tái)，基于Arduino系統(tǒng)的開發(fā)，可以制作出集成度高，使用簡單的產(chǎn)品，因?yàn)槠錈洺绦蚝唵?，與擴(kuò)展板和傳感器的兼容性較高且價(jià)格低廉的特點(diǎn)，在互動(dòng)電子系統(tǒng)的開發(fā)上得到了廣泛的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)基于集成藍(lán)牙4.0ArduinoUNO開發(fā)板，結(jié)合智能家居的發(fā)展特點(diǎn)，利用Accessory Shield擴(kuò)展板豐富的集成功能，并通過手機(jī)APP顯示相應(yīng)參數(shù)的采集結(jié)果且實(shí)現(xiàn)人走燈滅這兩大功能。最終實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能，低成本且能夠帶給用戶良好的居家體驗(yàn)的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 電子信息工程 智能臺(tái)燈 Arduino 藍(lán)牙

中圖分類號(hào)：TU113.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.1640/j.cnki.kjdks.2017.05.026

0引言

隨著人們生活水平的不斷提高和智能手機(jī)的飛速發(fā)展，智能手機(jī)很大程度上改變了人們的生活方式，智能手機(jī)已經(jīng)成為人們生活的必需品。隨著制造工藝的不斷改進(jìn)以及智能LED燈不斷完善，高亮度小功率LED燈照明光源以其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐漸步入人們的日常生活，對(duì)于未來通用照明領(lǐng)域，會(huì)逐步取代白熾燈等大功率的燈泡。利用手機(jī)藍(lán)牙與單片機(jī)的藍(lán)牙模塊相連接進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)無線遙控臺(tái)燈開關(guān)及相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸。

本設(shè)計(jì)中對(duì)于單片機(jī)的選型也從傳統(tǒng)的51單片機(jī)設(shè)計(jì)到現(xiàn)代較為流行的開發(fā)板ArduinoUNO的設(shè)計(jì)。Ardnino于2005年1月被創(chuàng)建，是一塊基于開放原始代碼的Simple UO平臺(tái)，該平臺(tái)由硬件（微處理器系統(tǒng)、電路板等）和軟件（編程語言和接口）兩部分組成，并且Arduino與java、c語言的開發(fā)環(huán)境類似，可以快速使用Arduino語言與多種軟件進(jìn)行互動(dòng)和功能融合。對(duì)于應(yīng)用方面，Arduino可以與軟件進(jìn)行獨(dú)立溝通，將一些電子元件，例如多種傳感器、開關(guān)、繼電器和RGB-LED燈以及其他的輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)組合。Arduino開源易用的特點(diǎn)為智能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原型提供了很好的開發(fā)平臺(tái)，通過與各個(gè)傳感器和元器件的連接，實(shí)現(xiàn)了感知、識(shí)別和處理?；贏rdu-ino開源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過豐富的軟硬件資源的分配，滿足了絕大多數(shù)智能產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)的需要。

1總體設(shè)計(jì)

智能臺(tái)燈的系統(tǒng)首先通過集成藍(lán)牙4.0的Arduino主控板與手機(jī)藍(lán)牙模塊連接，進(jìn)而與手機(jī)端建立通信協(xié)議，用Ardu-in01.6餾開發(fā)環(huán)境向Arduino主控板燒錄分功能程序代碼，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈功能的設(shè)計(jì)。手機(jī)APP通過繼電器來控制臺(tái)燈開關(guān)，燈泡應(yīng)用雷達(dá)感應(yīng)球，感知人體和光亮變化，再而控制臺(tái)燈的開關(guān)。臺(tái)燈通過UNO開發(fā)板與Bluno Accessory Shield擴(kuò)展板的連接，其中RGB LED集成于擴(kuò)展板，可以通過手機(jī)APP顯示豐富的顏色，具有良好的夜光效果，并且可實(shí)現(xiàn)溫度濕度等環(huán)境變量通過128x64 OLED顯示屏顯示手機(jī)APP端輸入的字符的功能，電路硬件連接圖如圖1，2所示。

2 Arduino UNO主板及功能模塊的選型

2.1設(shè)計(jì)硬件的選型

2.1.1 Ardnino開發(fā)平臺(tái)的選擇

Arduino這一款開發(fā)平臺(tái)，包含多種硬件及編程軟件（IDE為其編程環(huán)境，并且軟件更新版本速度較快）。同時(shí)Arduino加載多種控制器的函數(shù)庫，方便調(diào)用和修改；ArduinoIDE開發(fā)軟件擁有極為強(qiáng)大數(shù)量的函數(shù)庫。且對(duì)于多種傳感器具有通用性和兼容性，方便用戶進(jìn)行模塊化的連接和處理，且支持多樣的互動(dòng)程序；Arduino的硬件軟件都為開源，相對(duì)于C51，STM32等硬件平臺(tái)更加親民，完全脫離寄存器的配置，且?guī)缀跛泄δ軐?shí)現(xiàn)了上層庫的調(diào)用，透明掉了大部分與硬件的操作，且具有入門教程低領(lǐng)化，可操作化的特點(diǎn)。

2.1.2控制主板的選擇

Arduino系統(tǒng)針對(duì)不同的引用環(huán)境開發(fā)出多種不同版本，本文設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈采用由DF robot創(chuàng)客商城公司開發(fā)下的BLUNO V2.0，該開發(fā)板集成了藍(lán)牙HC-05模塊，直接將它使用USB數(shù)據(jù)線連接到PC上，并下載相應(yīng)的編程環(huán)境軟件At-duino IDE（本設(shè)計(jì)采用1.6.8版本）即可實(shí)現(xiàn)程序的燒錄，外部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）USB接口，通過該接口與電腦進(jìn)行連接，再用Arduino的IDE軟件將所編寫的控制程序保存并燒錄到控制板上，并且可通過該口為電路板供電，本設(shè)計(jì)通過USB接口連線進(jìn)行與臺(tái)燈接線的并聯(lián)，可用于家庭用電設(shè)備的連接。

（2）14個(gè)數(shù)字輸入/輸出端，其中RX和TX分別連接主控芯片的串行引腳，用來接收和發(fā)送TTL串行數(shù)據(jù)。其中的端口2、3——接收外部信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外部中斷功能；端口IO（SS）、11（MOSI）、12（MISO）和13（SCK）在SPI模塊庫的支持下，可以提供SPI通信模式；端口13內(nèi)部連接了一個(gè)LED指示燈，LED燈會(huì)在主板通信模式時(shí)進(jìn)行閃爍提醒。

（3）藍(lán)牙模塊，BLE-LINK是基于藍(lán)牙4.0的通訊模塊，它采用XBEE造型設(shè)計(jì)，體積尺寸緊湊，兼容XBEE的擴(kuò)展底座，適用于本實(shí)驗(yàn)的Arduino單片機(jī)系統(tǒng)。本模塊用于實(shí)現(xiàn)，主從機(jī)設(shè)置，完成無線燒錄程序，與手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙通信的功能。

2.2擴(kuò)展板的選擇

本設(shè)計(jì)采用Bluno Accessory Shield擴(kuò)展板，集成了臺(tái)燈設(shè)計(jì)所需大部分硬件設(shè)備，其中包括RGB LED彩燈、OLED顯示屏、溫濕度傳感器、繼電器。并且與ArduinoV2.0具有較強(qiáng)的兼容性，整體體積小，易于臺(tái)燈封裝。外部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3藍(lán)牙通信

3.1藍(lán)牙技術(shù)相關(guān)簡介

藍(lán)牙可以支持設(shè)備進(jìn)行短距離通信，并且能夠在移動(dòng)電話、無線通信設(shè)備、PC和具有外設(shè)裝置的設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。對(duì)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，使得所選設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的通信進(jìn)一步得到簡化，從而使數(shù)據(jù)滿足現(xiàn)代大數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?、迅速性，拓寬了與無線通信的聯(lián)系。藍(lán)牙采用時(shí)實(shí)行分雙工傳輸方案，全雙工傳輸，與WWI技術(shù)相比，使得在特殊環(huán)境下的智能手機(jī)通信變得更加便捷。

3.2藍(lán)牙協(xié)議

本系統(tǒng)中主要應(yīng)用的是藍(lán)牙配對(duì)即將兩個(gè)Bluetooth設(shè)備間建立新的連接關(guān)系，連接過程為通過BluetoothSerialPort將Bluetooth的通信轉(zhuǎn)化成Virtual Serial Port（虛擬串口），接下來使用Bluetooth的Client程序進(jìn)行串口操作，最后通過串口信息的處理把通過擴(kuò)展板上傳感器及相關(guān)元器件所處理所得到的數(shù)據(jù)傳遞給手機(jī)端。

3.3藍(lán)牙傳輸過程

Arduino主控板可將擴(kuò)展板上溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，繼電器的接口函數(shù)值以及彩燈的各顏色比例值以一定發(fā)送頻率通過藍(lán)牙芯片，利用虛擬串口BluetoothSerialPort，將數(shù)據(jù)傳遞給手機(jī)端并進(jìn)行接收，最后由手機(jī)端的界面上會(huì)示相應(yīng)參數(shù)的變化。如圖5所示是本系統(tǒng)的藍(lán)牙傳輸過程。

4臺(tái)燈的各功能模塊及實(shí)現(xiàn)過程說明

4.1 OLED顯示屏

OLED顯示屏位于臺(tái)燈底座，用以顯示由手機(jī)APP端輸入的字符、實(shí)時(shí)采集的溫濕度的數(shù)據(jù)R、G、B的參數(shù)值。濕度傳感系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感模塊，該傳感器模塊集成了電阻式感濕元件和NTC測(cè)溫元件，與Ardnino開發(fā)板相連接。Arduino實(shí)現(xiàn)功能部分代碼如下：

voiddraw（void）

myOled.setFont（u8g font unifont）；

myOled.setPrintPos（10，16）；

//settheprintposition

myOled.print（”H：”）；

myOled.print（humidity）；Hshow the humidity 0n oled

myOled.print（"%"）；

成果如圖6所示：

每2s更新環(huán)境溫度和濕度，并通過調(diào)用庫函數(shù)myAcces-sory對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行處理，通過藍(lán)牙接口傳輸?shù)南鄳?yīng)數(shù)據(jù)也可在手機(jī)上進(jìn)行顯示。更新數(shù)據(jù)代碼如下：

staticunsignedlongDHTllTimer=millis（）；

//every2sup-date the temperature and humidity from DHT11 sensor

if（millis（）-DHTllTimer>=2000）{

DHTllTimer=millis（）；temperature=myAcces-sory.readTemperature （）；humidity-myAcces-sory.readHumidity（）；

}

4.2臺(tái)燈開關(guān)模塊

通過設(shè)計(jì)手機(jī)app開關(guān)按鈕，將藍(lán)牙串口傳輸端的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，高低電平值進(jìn)而控制繼電器的開關(guān)，繼電器模塊接口中DC+端口接電源正極（電壓按繼電器要求，有5V.9V.12V和24V選擇），DC-端口接電源負(fù)極，IN口可以通過高或低電平控制繼電器吸合。通過能夠承載較大功率的導(dǎo)線將臺(tái)燈的兩端分別與繼電器的NO（繼電器常開接口），COM（繼電器公用接口）連接，最終實(shí)現(xiàn)用手機(jī)控制臺(tái)燈開關(guān)；本設(shè)計(jì)采用1.5A繼電器模塊，能夠承載普通的大電流器件，用于處理燈泡連接于家庭工作電壓的安全處理?？刂评^電器部分代碼如下所示：

void setup（）{

myAccessory.begin（）；

}//the loop routine runs over andover againforever：

void loop（）{

myAccessory.setRelay（true）；//turn the LED on（HIGH is the voltage level）

delay（2000）；//wait for a second

myAccessory.setRelay（false）；//turn the LED off by mak-ing the voltage LOW

delay（2000）；//wait for a second

}

4.3小彩燈

小彩燈用于夜間模式的使用，獨(dú)立于節(jié)能臺(tái)燈之外，位于臺(tái)燈底座封裝的透明板內(nèi)部。

LED彩燈的三原色指紅，綠，藍(lán)，改變這三種顏色的比例就可以合成不同的顏色。因此UNO板通過燒錄程序?qū)κ謾C(jī)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)調(diào)色。由于傳輸REB-LED的PWM值不同，因此可以實(shí)現(xiàn)PWM控制紅、綠、藍(lán)三盞燈的亮度比，通過控制亮度比實(shí)現(xiàn)想要改變的顏色。PWM調(diào)光技術(shù)是一種利用簡單的數(shù)字脈沖反復(fù)調(diào)控開關(guān)LED的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，使用者需要設(shè)定不用的顏色配對(duì)比例，從而提供寬，窄不同的數(shù)字式脈沖，進(jìn)而改變輸出電流，最后實(shí)現(xiàn)LED的亮度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多種顏色的調(diào)節(jié)。Arduino/DE編譯部分代碼如下：

blunoAccessory myAccessory；

void setup（）{Serial.begin（1 15200）；

myAccessory.begin（）；}

void loop（）{for（int i=0；i<255；i++）{

myAccessory.setRGBLed（i，0，255-i）；

delay（10）；}

4.4節(jié)能燈

本設(shè)計(jì)采用雷達(dá)感應(yīng)燈，當(dāng)臺(tái)燈處于自然光線較弱并且感知人體（距離<7m）的條件下，內(nèi)有微波反射感應(yīng)機(jī)制，通過雷達(dá)感應(yīng)元件進(jìn)行測(cè)距，驅(qū)動(dòng)智能IC電源，保障電流的平穩(wěn)，有效延長燈泡壽命。當(dāng)人離開微波雷達(dá)感應(yīng)的范圍后，延遲30-40秒，臺(tái)燈自動(dòng)熄滅。感應(yīng)燈的外部結(jié)構(gòu)圖如圖7。

5結(jié)語

本系統(tǒng)是基于Arduino平臺(tái)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)先通過擴(kuò)展板采集需要傳輸給手機(jī)的信息，并通過藍(lán)牙芯片傳遞給手機(jī)端。設(shè)計(jì)出具有節(jié)能、安全、時(shí)尚的簡易臺(tái)燈系統(tǒng)。整體設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)臺(tái)燈的功能單一性，增加夜光彩燈效果和溫濕度提醒功能，從智能化上進(jìn)一步完善了臺(tái)燈本身。因?yàn)锳rduino功能強(qiáng)大，且與Android的耦合性極佳，還可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)手機(jī)APP并擴(kuò)展臺(tái)燈的新增功能，豐富臺(tái)燈的系統(tǒng)多樣性。

本智能臺(tái)燈系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)雖然仍處于開發(fā)階段，但在實(shí)驗(yàn)調(diào)研已經(jīng)多次調(diào)試及安全性檢驗(yàn)后，使之具有成本較低，設(shè)計(jì)簡單，安全可靠，攜帶方便等特點(diǎn)，可作為產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，應(yīng)用于住宅家居、現(xiàn)代辦公室等場(chǎng)所，有較強(qiáng)的實(shí)用性。