智能檢測(cè)感應(yīng)燈的研發(fā)

張敏 崔祥霞 劉格

摘 要：針對(duì)目前國內(nèi)的智能感應(yīng)燈還處于手動(dòng)控制階段，本文提出了一種基于WiFi和Arduino單片機(jī)的智能檢測(cè)感應(yīng)燈。該方案以Arduino單片機(jī)作為核心控制器件，使用紅外傳感器和光敏電阻實(shí)現(xiàn)自定義不同燈控模式，智能感應(yīng)以及遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：Arduino單片機(jī);WiFi;智能照明;傳感器

目前國內(nèi)的智能家居市場(chǎng)還處于起步階段，相比其他概念型的智能家居產(chǎn)品，人體感應(yīng)智能燈顯然要實(shí)用的多。與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國的比較先進(jìn)的智能燈光控制系統(tǒng)僅僅實(shí)現(xiàn)了紅外遙控控制，并且大都還處于手動(dòng)開光控制單個(gè)光源亮滅階段。在此背景下，本文基于WiFi和Arduino單片機(jī)提出一種切實(shí)可行的智能感應(yīng)檢測(cè)人體燈設(shè)計(jì)方案，一款能夠利用紅外線、熱釋電原理感應(yīng)人體活動(dòng)信息的新技術(shù)、新設(shè)計(jì)，專門用來檢測(cè)和感應(yīng)人體活動(dòng)信息的智能感應(yīng)燈，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)燈光亮度，隨意切換五種不同工作模式，從而減少能源消耗，提高生活體驗(yàn)品質(zhì)。

1.智能感應(yīng)人體燈設(shè)計(jì)方案

基于WiFi和Arduino單片機(jī)的智能感應(yīng)檢測(cè)人體燈主要實(shí)現(xiàn)以下功能：一是采用遠(yuǎn)程控制的方式實(shí)現(xiàn)控制基本照明;二是可以智能調(diào)節(jié)燈的亮度，切換五種不同工作模式，五種工作模式及其具體實(shí)現(xiàn)的功能情況如下：

1）閱讀模式：智能感應(yīng)人體燈會(huì)根據(jù)外界的亮度調(diào)節(jié)燈光的亮度，使燈光適合人正常工作生活，達(dá)到節(jié)能目的。

2）自定義亮度：可以根據(jù)用戶的需要調(diào)節(jié)亮度，符合用戶自定義的使用要求。

3）電影模式：調(diào)低燈光亮度，營造一個(gè)看電影院的觀看環(huán)境。

4）夜間路燈模式：通過設(shè)備所帶傳感器判斷環(huán)境是否過暗，檢測(cè)有沒有人在附近，來決定是否需要開燈，實(shí)現(xiàn)人在燈亮，人走燈滅功能，實(shí)現(xiàn)圍繞人打造的節(jié)能環(huán)保的目的。

5）音樂模式：為聽音樂渲染一個(gè)聽歌環(huán)境，計(jì)劃根據(jù)基本的音樂風(fēng)格形成相應(yīng)的燈光變化節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)燈隨音動(dòng)。

本方案計(jì)劃使用內(nèi)置的光照強(qiáng)度傳感器檢測(cè)圖像情況，顯示產(chǎn)品環(huán)境周圍的亮度。研發(fā)的設(shè)備上采用旋鈕的控制方式，可以使本方案開發(fā)的燈具設(shè)置在傳感器檢測(cè)的設(shè)置一定亮度值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)（目前計(jì)劃僅在閱讀模式、夜間路燈模式這兩種模式條生效）

因?yàn)槭褂昧诉h(yuǎn)程控制的方式，需要云平臺(tái)的控制支持，所以當(dāng)斷電時(shí)，智能燈會(huì)無法遠(yuǎn)程設(shè)置，需要在重新聯(lián)網(wǎng)后，進(jìn)行斷網(wǎng)自動(dòng)重連接的操作，以便在聯(lián)網(wǎng)后完成相關(guān)智能操作和數(shù)據(jù)的傳輸、控制和收集工作。

2.硬件設(shè)計(jì)

本方案核心操作是解決數(shù)據(jù)傳輸控制燈的信息轉(zhuǎn)化問題。使用的通信方式為WiFi，通訊協(xié)議采用自定義方式的協(xié)議。根據(jù)測(cè)試開發(fā)的難度，數(shù)據(jù)流數(shù)量控制在5個(gè)左右，數(shù)據(jù)格式可以采用ASCII碼的形式，為了更好控制功耗，數(shù)據(jù)上傳頻率控制在秒級(jí)的級(jí)別上。

硬件部分主要包含兩部分：一是核心控制部分，主控Arduino Leonardo、HLK-RM04 WiFi模塊、人體紅外感應(yīng)模塊;二是環(huán)境感應(yīng)部分，光敏電阻、電位器、led燈（紅、綠、黃、白）、供電部分5V/2A、杜邦線和導(dǎo)線等。

2.1核心主控Arduino Leonardo

單片機(jī)主要用來控制當(dāng)傳感器接收到輸出一個(gè)高電平脈沖信號(hào)或高電平延時(shí)信號(hào)時(shí)傳遞到主控進(jìn)行相關(guān)的燈光控制操作。本設(shè)計(jì)使用的微控制器核心芯片為ATmega32u4，輸入工作電壓 5V，不能超過7-12V輸入電壓。Flash 32 KB（ATmega32u4）其中4 KB由引導(dǎo)程序使用SRAM 2.5 KB（ATmega32u4）EEPROM 1 KB（ATmega32u4）。時(shí)鐘速度16MHz。該開發(fā)板有兩個(gè)硬件串口，方便連接外部設(shè)備調(diào)試，而且不會(huì)影響到其他使用的串口。與其他類型的單片機(jī)相比，Arduino單片機(jī)有豐富的系統(tǒng)資源，編程簡單，模塊擴(kuò)展功能強(qiáng)大，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2無線傳輸模塊

WiFi模塊與單片機(jī)之間通過異步串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收或發(fā)送，該過程是通過WiFi模塊和單片機(jī)自身的串口來實(shí)現(xiàn)的。目前WiFi模塊主要有兩種，一種是HLK-RM04，另一種是ESP8266。在性能上，HLK-RM04比較穩(wěn)定，速度也ESP8266快。但是ESP8266更便宜，但穩(wěn)定差一點(diǎn)，傳輸速度低，實(shí)際上也可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，只是鏈接網(wǎng)絡(luò)成功性比較低，而且不支持WEB 頁面配置。綜合考慮，本方案選擇HLK-RM04模塊作為無線WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊。HLK-RM04模塊在使用時(shí)，需要進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，主要有三種設(shè)置方法：WEB頁面配置、串口AT指令配置、串口配置。

2.3傳感器模塊

傳感器模塊主要包括光照傳感器和紅外檢測(cè)模塊兩部分，主要功能是對(duì)室內(nèi)光照強(qiáng)度和人數(shù)做出實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳送至控制單片機(jī)，以便單片機(jī)做出控制。

光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊部分由光敏電阻和電位器組成，電位器使精度比較高，使光線測(cè)量更準(zhǔn)確。光敏電阻檢測(cè)到不同光強(qiáng)就會(huì)得到不同阻值，從而有不同的電壓值，將電壓信號(hào)送給電壓比較器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)光照強(qiáng)度。

紅外感應(yīng)模塊主要用于測(cè)量人體紅外波長，之所以使用人體紅外波長模塊是因?yàn)樵撃K使用起來比較方便，比微波雷達(dá)更準(zhǔn)確，因?yàn)槔走_(dá)測(cè)動(dòng)的一切動(dòng)的物體，所以出錯(cuò)的概率大些。紅外模塊的另一個(gè)好處是比較節(jié)能，使用電位器可以調(diào)節(jié)延遲、測(cè)量距離，使用起來更方便。

2.4 總體方案

本方案用旋鈕來進(jìn)行燈光控制，所以要用到自定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通訊。使用輔助軟件可以幫助開發(fā)更快編程和調(diào)試，使用該方式調(diào)試時(shí)，電腦相當(dāng)于下位機(jī)。目前的云平臺(tái)支持多種不同的接入?yún)f(xié)議，很多都是基于TCP/UDP的上層協(xié)議，其分別對(duì)應(yīng)的域名、IP地址和端口號(hào)都各有不同，可以根據(jù)實(shí)際開通情況進(jìn)行設(shè)置。

（1）自定義消息格式

消息包括三個(gè)部分：必選的消息頭（綠色），可選的多個(gè)選項(xiàng)（黃色）以及可選的消息體（藍(lán)色）。

（2）功能函數(shù)定義

1）void communication（），云平臺(tái)上設(shè)備建立連接函數(shù)定義名稱

2）void datatransm（unsigned char Data，unsigned char cgq1，unsigned char cgq 2），上傳數(shù)據(jù)到云平臺(tái)，變量 Data要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)， cgq 1傳感器1要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)， cgq 2傳感器2要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

3）void heart（），心跳檢驗(yàn)函數(shù)，掉線重連接

各種模式調(diào)用的函數(shù)：

1）float search（），光線檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度

2）void beatheart （），心跳，音樂模式

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1程序流程

系統(tǒng)配置初始化成功后等待Wii模塊啟動(dòng)，WiFi模塊啟動(dòng)后燈節(jié)點(diǎn)開始正式工作;傳感器模塊將檢測(cè)到的人數(shù)和光照情況傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將其處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂祈撁妫却撁姘l(fā)送指令：若接收到信息，則按照對(duì)應(yīng)指令設(shè)置照明燈的狀態(tài)，并返回等待下一次命令，若沒有則繼續(xù)等待。

4. 結(jié)論

本文提出了一種基于Arduino開源設(shè)計(jì)平臺(tái)和WiFi模塊的智能檢測(cè)感應(yīng)燈，本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是：智能燈光提供多模式的選擇方式，可以根據(jù)用戶自己的選擇進(jìn)行模式切換，也可以根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行燈光的模式切換。圍繞傳感器收集的檢測(cè)外部環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能的燈光控制;將通用的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行極大的簡化，減少了系統(tǒng)的通信負(fù)荷，將很多無用的功能性的數(shù)據(jù)格式去除，提高了系統(tǒng)的效率，降低了編程的復(fù)雜度。

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教育部-百科榮創(chuàng)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人，項(xiàng)目編號(hào)：201702091011.