LED智能燈設(shè)計

蔣佳 鄭家城 張健

摘要：自從20世紀(jì)70年代以來，隨著人工智能的不斷發(fā)展，智能家居的普及，照明系統(tǒng)的發(fā)展也逐漸成熟，LED智能照明系統(tǒng)因其使用壽命長，能耗少，效果豐富多彩的特點，使LED智能燈成為世界照明的主流。本設(shè)計對LED智能燈的發(fā)展和歷史做了研究，重點介紹了LED智能照明系統(tǒng)的架構(gòu)和核心硬件技術(shù)。目前市面上的智能燈并不能滿足廣大用戶的更多需求，現(xiàn)在我們采用了基于藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)的智能燈系統(tǒng)，此系統(tǒng)的核心芯片是藍(lán)牙芯片，采用藍(lán)牙通信技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備終端與LED智能燈的通信。不僅豐富了用戶的使用體驗，而且又完成了智能燈的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：LED;智能;照明;環(huán)保;節(jié)能

中圖分類號：TU113.6? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0207-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 緒論

近年來，隨著科技的高速發(fā)展，照明系統(tǒng)的發(fā)展逐漸成熟，人工智能已經(jīng)遍及生活的方方面面。市場上傳統(tǒng)的功能單一、低自動化水平的LED燈已經(jīng)不再能滿足人們的需求，人們希望更加能有更加智能的家居生活品。國內(nèi)智能照明在LED照明領(lǐng)域已火熱多年。然而，在過去幾年，智能照明多是“雷聲大雨點小”，主要體現(xiàn)為，國內(nèi)智能照明產(chǎn)業(yè)尚未形成一定規(guī)模、市場接受程度較低、智能照明技術(shù)不成熟等問題。到了2019年，這一局面有了很大改觀，智能照明不再“不溫不火”，站在風(fēng)口的智能照明更顯前景無限，2014年—2017年智能照明規(guī)模市發(fā)展趨勢如圖1所示。

2 LED智能燈特點

較普通燈LED智能燈優(yōu)勢：

（1）多變換

LED智能燈光源可利用紅、綠和藍(lán)三原色，它可以產(chǎn)生256*256*256（即16777216）種顏色，形成不同光色的組合。LED組合的顏色多種多樣，可實現(xiàn)各種動態(tài)變化和各種圖像。

（2）自動化

LED智能照明控制系統(tǒng)是一種自動操作，不需要手動操作，因此在實際應(yīng)用中，人們不需要關(guān)注其開關(guān)。照明控制系統(tǒng)可以使用感應(yīng)或紅外線技術(shù)來實現(xiàn)感應(yīng)操作。這樣不僅能讓燈光隨時為人們服務(wù)，還可以在一定程度上節(jié)約能源，實現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能。

3 系統(tǒng)設(shè)計思路

（1）全開全關(guān)和記憶功能

整個照明系統(tǒng)的燈可以完全打開，一個按鈕完全關(guān)閉。當(dāng)你在要睡覺或者是出門之前，可以通過按Full或者Off按鈕關(guān)閉所有照明。免除了你跑遍全部房間的煩惱。

（2）定時控制功能

通過個人的時間安排管理模塊，可以對智能燈進(jìn)行定時的控制功能。例如，在看書的時候?qū)艄庹{(diào)節(jié)到一個合適亮度;在深夜，自動關(guān)閉全部的燈光照明。

（3）場景設(shè)置

針對固定模式的場景、你不需要一個個開關(guān)燈和調(diào)光，只需要輸入命令，就能夠一鍵控制一系列燈，這就是場景設(shè)置功能。只需輸入一次命令即可實現(xiàn)多組燈光場景的切換;還能夠得到想要的燈光和多種設(shè)備連接的場景，如辦公模式、影院模式、餐廳模式等。

（4）手機遙控

其實質(zhì)就是“輸入設(shè)備”，即可視化操作界面。從手機到控制設(shè)備，這里還涉及信號傳輸?shù)膯栴}，手機設(shè)備可以通過WIFI或者紅外線傳輸信號，所以我們使用的控制設(shè)備必須能夠具備至少兩種的無線傳輸方式。

從實際情況方面講，例如智能家居，通過手機或者計算機，可以直接操控?zé)舻拈_關(guān)、顏色搭配，亮度調(diào)節(jié)等。這里用的便是Wifi或者Bluetooth無線傳輸。當(dāng)然，還有一個控制器，是隱蔽安裝的。

針對設(shè)計的智能硬件，我們需要從三個方面考慮方案：硬件設(shè)備、硬件連接和手機控制軟件。

①硬件設(shè)備

Arduino是一個界面非常友好的硬件開發(fā)工具，即是對硬件一竅不通的軟件開發(fā)者，都能夠在Arduino開發(fā)板上進(jìn)行硬件開發(fā)。

②硬件連接

硬件連接成功之后，你需要為它設(shè)計一個簡單耐用的外殼來密封開發(fā)板，電線和LED燈。

開發(fā)板上外接的LED燈，工作原理都相差無幾，開發(fā)板上有三個引腳，每個引腳連接一個LED燈，需要把這三個引腳都連接到Arduino開發(fā)板上。如圖2-1所示。

作為個人開發(fā)的智能硬件，它必須是更人性化的產(chǎn)品。開發(fā)人員可以模仿3D模型軟件來描繪有用的外形，然后通過打印機將其變?yōu)楝F(xiàn)實，然后將其與我們之前的智能硬件組合在一起。

為了開發(fā)外部的Bluetooth模塊，我們選擇了HC-07并將它們連接到Arduino開發(fā)板，如圖2所示。

在開發(fā)板上設(shè)計了一個外部開關(guān)按鈕來控制LED智能燈。

控制LED燈開關(guān)的功能，就可以將以上硬件連接在一起，通過Bluetooth執(zhí)行命令。

③手機控制軟件

手機端必須要控制LED智能燈，首先我們要開發(fā)一個能安裝在手機端的APP，通過Bluetooth技術(shù)控制LED燈，然后啟動APP，查找要連接Bluetoothde 設(shè)備，點擊連接;連接完成后，滑動模塊，就能夠控制燈光的亮度。

開關(guān)/亮度調(diào)節(jié)：通過Bluetooth或者Wifi連接手機后，可以根據(jù)個人的需要，控制LED燈的亮度和控制他的開關(guān)，打造合適的燈光氛圍。

控制和制定顏色：根據(jù)手機APP的應(yīng)用軟件對應(yīng)的功能，可以根據(jù)自己的喜好設(shè)定每個LED燈的色彩;也可以使用APP上的吸管工具吸取圖片上的顏色。

定時控制：手機APP上有一個相當(dāng)于定時鬧鐘的功能，我們可以根據(jù)自己的時間安排設(shè)置作息時間。

狀態(tài)顯示：支持移動APP全局控制，無論您身在何處，打開應(yīng)用程序，您都可隨時控制LED燈泡的使用。

4 控制硬件的設(shè)計

所謂“硬件”，是指計算機的實體部分，它由看得見摸得著的各種電子元器件，各類光、電、機設(shè)備的實物組成，如主機、外部設(shè)備等[8]。

選擇Arduino MEXA、HC-07Bluetooth模塊，LED燈模塊和引腳開關(guān)按鈕以后，我們就需要把它們連接在一起并使用他們。

由于同一開發(fā)板需要連接多個外部硬件，因此需要Arduino擴展板了。

Arduino支持多種擴展板，其中有一種可用于將引腳按引腳電源VCC接地GND的順序放入Arduino板。一組組的連接便于開發(fā)人員即插即用。這樣開發(fā)板就能夠解決VCC接口不夠用的情況。如圖3所示。

將Arduino開發(fā)板和擴展板連接好之后，引腳就被擴展出來了。如圖4所示。

5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

接下來設(shè)置在手機上如何控制LED燈。

（1）界面設(shè)計

智能燈不同于傳統(tǒng)燈具，而是智能設(shè)備的一種，除了智能燈體，還有一個手持智能控制設(shè)備，本設(shè)備具備計算能力和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接能力，通過應(yīng)用程序，功能可以不斷擴展[13]。界面設(shè)計屬于系統(tǒng)軟件的一部分，系統(tǒng)軟件又稱系統(tǒng)程序，主要用來管理整個計算機系統(tǒng)，監(jiān)視服務(wù)，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度，高效運行[8]。

首先，我們選擇用Android Studio新建一個安卓應(yīng)用工程，把Bluetooth聊天應(yīng)用復(fù)制過去，刪除相關(guān)的代碼，然后在這個代碼上進(jìn)行修改。只需要按照下面的步驟做即可，如圖5所示。

③ 給Seekbar添加監(jiān)聽器，當(dāng)用戶滑動小滑塊時，監(jiān)聽器可以根據(jù)小滑塊當(dāng)前的位置，來發(fā)送數(shù)據(jù)給LED燈。在發(fā)送之前請確保手機已連接到LED發(fā)送命令。

現(xiàn)在，一個可以控制LED燈的手機控制應(yīng)用程序已經(jīng)完成。如圖5所示。

6 實驗結(jié)果及分析

這項設(shè)計的主要目的是設(shè)計和開發(fā)一種LED燈系統(tǒng)，為更環(huán)保的人們服務(wù)。LED照明技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用引起了國內(nèi)外光源產(chǎn)業(yè)的廣泛關(guān)注，現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)[4]。

該項目不同于傳統(tǒng)的照明燈系列，更重要的是，它是一個獨立的設(shè)備，提供了一個高效的能源管理方案，確保有效的維護(hù)和減少由于照明控制故障造成的能源浪費。此外，它的制造和維護(hù)成本也比市面上的同類產(chǎn)品要低得多。該項目的一個重要特點是，它可以根據(jù)一天中的特定時間自動控制LED燈的亮度，尤其是在不需要全亮度照明的情況下，從而降低功耗。它可以根據(jù)定時系統(tǒng)自動激活和關(guān)閉照明，達(dá)到最高的效率。它是一種更便宜、更環(huán)保的選擇。它還提供了一種成本效益高的方法來管理各種應(yīng)用的照明系統(tǒng)。在使用時打破了傳統(tǒng)照明開關(guān)的限制，或者通過連接Wifi，Bluetooth等多種方式打開LED智能燈，為消費者提供了更便捷、更人性化的服務(wù)。本設(shè)計采用的硬件主要是Arduino開發(fā)板和通用型單片機。通用型單片機具有比較豐富的內(nèi)部資源，性能全而且適應(yīng)性強，可滿足多種應(yīng)用需求。

智能LED燈就設(shè)計完了。雖然這只是一個非常實用的智能燈硬件原型，但您可以根據(jù)自己的經(jīng)驗為您的體驗添加更多有用的功能。例如，添加紅色，綠色，和藍(lán)色燈泡，使LED燈更加豐富多彩;同時增加了移動終端控制軟件的功能，并設(shè)置了不同的場景，使LED燈能可以在不同的場景中改變不同的光色和亮度。用積木拼出更多形狀有特點的LED燈模型，然后我們以后就可以根據(jù)此模型來設(shè)計LED智能燈，如圖6所示。

7 總結(jié)與展望

（1）總結(jié)

現(xiàn)在的智能化家居并不是真正意義上的智能，所有的智能設(shè)備都需要最終接入到手機這個智能終端通過人為的干預(yù)來實現(xiàn)所謂的智能化操作。針對傳統(tǒng)照明功能單一、現(xiàn)有LED智能燈用戶體驗差等問題，設(shè)計了一種基于藍(lán)牙的智能燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)以BK3231藍(lán)牙芯片為核心，采用Bluetooth SPP和HID協(xié)議，實現(xiàn)移動終端設(shè)備與智能照明設(shè)備的連接與通信，在滿足用戶照明需求的同時，還實現(xiàn)了音樂律動、搖一搖、自拍等趣味控制功能。如果你在閱讀，只需輕觸一下遙控，就能讓柔和的燈光為你制造氣氛，以至于不容易疲勞。如果你加班很晚，只需輕觸一下APP，讓溫馨的燈光在您到家的那一刻為您點亮。LED智能燈已經(jīng)不僅僅是一個照明產(chǎn)品，更是您生活的伴侶，提高您的生活質(zhì)量。

（2）展望

一切的科技成果都是為了人類更好的生活，科技的迅速發(fā)展，人類社會越來越文明。從前，為了發(fā)展經(jīng)濟我們嚴(yán)重破壞了自然生態(tài)平衡，給我們的家園帶來了很多的天災(zāi)人難?，F(xiàn)在我們已經(jīng)意識到了節(jié)能環(huán)保的重要性。

21世紀(jì)，各行各業(yè)都在倡導(dǎo)綠色能源，可再生能源。在照明這一方面來說，最環(huán)保節(jié)能的就是LED智能燈了。從創(chuàng)新的角度來看，LED智能燈有巨大的前景和市場;從市場價格來看，產(chǎn)品價格高，但是隨著國內(nèi)科技技術(shù)的不斷提高，價格不會成為廣大群眾使用的問題。僅僅是照明的效果已經(jīng)滿足不了人們的需求，人們對審美的觀念也越來越高，LED智能照明將會得到普及，科技與審美的結(jié)合也是未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：王力】