Arduino的家居智能照明系統(tǒng)的設(shè)計

湖南信息學(xué)院電子信息學(xué)院 陳章鵬 陳 亮 張鈺莎 何愛軍 梁菜萍 許 彤 陳寧欣

本系統(tǒng)總設(shè)計是基于Arduino物聯(lián)網(wǎng)的家居照明系統(tǒng)，對照明設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一部署和管理，由傳感器、家庭網(wǎng)關(guān)、手機(jī)終端構(gòu)成。在Arduino開源平臺上部署傳感器節(jié)點(diǎn)，對照明設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢測；在軟件平臺上接受并處理反饋信息，根據(jù)指定的策略對照明設(shè)備進(jìn)行控制；終端產(chǎn)品對燈具進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和模式切換。本系統(tǒng)將家居照明設(shè)備從被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N場景照明的智能控制系統(tǒng)，同時具有可擴(kuò)展性，滿足用戶需求的變化，帶來良好的生活體驗(yàn)。

1 智能家居照明系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 全球智能照明市場前景廣闊

傳統(tǒng)的鎢絲燈、氣體放電燈照明時代跨越到了現(xiàn)代的LED半導(dǎo)體器件的照明時代，家居照明領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化。與此同時，網(wǎng)絡(luò)時代也在發(fā)生著改變，由原先的移動互聯(lián)網(wǎng)開始向物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變。正是科技融合發(fā)展的高速時期，在LED照明與物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新結(jié)合的基礎(chǔ)上，碰撞出了影響人類生活的智能照明時代。科技之間的結(jié)合、碰撞，為智能照明時代的市場發(fā)展提供了廣泛空間和爆發(fā)潛力，奠定了智能照明生態(tài)體系在時代發(fā)展中迭代、優(yōu)化、發(fā)展、向著更優(yōu)體系不斷更新的基礎(chǔ)。

據(jù)全球市場研究咨詢公司Markets and Markets發(fā)布的市場研究報告指出，2015年全球智能照明市場規(guī)模為33億美元，預(yù)計2022年將達(dá)到197億美元，這個期間的復(fù)合年增長率為27%。

1.2 智能照明控制要選擇合適的連接技術(shù)

在萬物互聯(lián)的時代，連接的技術(shù)非常多。有基于總線的有線技術(shù)，有短距離的無線連接技術(shù)，也有跨越幾公里的廣域網(wǎng)無線技術(shù)。在使用智能家居照明時，需要對家居的全套設(shè)備進(jìn)行全連接、簡便操作且保障安全。由于組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多及其復(fù)雜性，必須支持低功耗、成本低。藍(lán)牙技術(shù)具有低功耗的特性，對基于可控廣播的藍(lán)牙Mesh技術(shù)有了新的定義，在未來也十分具有發(fā)展?jié)摿?，值得界?nèi)關(guān)注。如果只是簡單地點(diǎn)連接或者是不需要連接很多結(jié)點(diǎn)，使用WiFi或藍(lán)牙連接即可。

1.3 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)照明加速融合

新時代下的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)以及技術(shù)本身都在發(fā)生新的變化，物聯(lián)網(wǎng)帶來的不僅僅是產(chǎn)品層面的沖擊，更多的是跨界融合。全球IT巨頭思科攜手Cree推出Smartcast以太網(wǎng)供電智能照明平臺；IoT照明平臺供應(yīng)商Gooee和EnOcean共同研發(fā)了網(wǎng)狀藍(lán)牙智能照明控制系統(tǒng)；華為與歐普合作，GE、蘋果、高通等科技巨頭也動作頻頻，通過和傳統(tǒng)照明企業(yè)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合進(jìn)軍智能照明已經(jīng)成為常態(tài)。

從技術(shù)角度看，智能照明主要強(qiáng)調(diào)對照明的基于規(guī)則的控制與基于環(huán)境因素和人的需求的簡單自動控制，讓照明具有邏輯智慧。它需結(jié)合大數(shù)據(jù)處理與人工智能和產(chǎn)業(yè)的完善，來超越照明本身的意義走向從智能照明邁向智慧照明高度。

綜上，本項(xiàng)目研究既符合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的市場前景，在設(shè)計和開發(fā)實(shí)現(xiàn)中也將不斷跟蹤業(yè)界的新技術(shù)動態(tài)，保持本項(xiàng)目的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

2 系統(tǒng)分析

2.1 采用Arduino開源物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)領(lǐng)域中，硬件集成和軟件開發(fā)兩方面都可以充分利用Arduino的多種優(yōu)勢。Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計及相應(yīng)代碼，包含硬件和軟件開發(fā)環(huán)境。

硬件部分是Arduino電路板，它能通過各種各樣的傳感器來感知事物，通過控制燈光、馬達(dá)、舵機(jī)和其他的模塊來反饋、影響事物。

軟件部分是Arduino IDE，它可以靈活、簡便的進(jìn)行程序開發(fā)。將IDE中的代碼燒寫到Arduino電路板芯片后，可以通過Arduino電路板驅(qū)動控制燈具終端。

2.2 選用Python作為物聯(lián)網(wǎng)全棧開發(fā)語言

Python是一種應(yīng)用層編程語言，非常適合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整合。首先，它支持物聯(lián)網(wǎng)可編程設(shè)備，在嵌入式環(huán)境中使用Python，遠(yuǎn)比C/C++簡單快捷，大大提高了編程效率。不僅可以訪問絕大多數(shù)的硬件資源，調(diào)試簡單，還可以獲得各種中間件服務(wù)，包括文件系統(tǒng)、交互命令、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并且支持多線程、異步I/O、回調(diào)，無須擔(dān)心內(nèi)存泄漏和垃圾回收問題。其次，Python支持物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)，隨著硬件和操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，編程接口也逐漸標(biāo)準(zhǔn)化。物聯(lián)網(wǎng)中的無線通訊技術(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，不需要開發(fā)底層驅(qū)動，基于標(biāo)準(zhǔn)化硬件、操作系統(tǒng)和編程接口，可以大大簡化、加速物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)。再次，Python易于進(jìn)行服務(wù)器端開發(fā)，它有大量開放源代碼的Web應(yīng)用框架，如Django、Flask等，可以比較方便地完成物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的后端Web開發(fā)。Python有大量有模塊庫，它可以用更少的代碼行完成更多的工作，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析部分的理想選擇。

3 系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

3.1 硬件搭建部分

（1）電源模塊

電源模塊是驅(qū)動各種元器件的動力之源。本系統(tǒng)在不影響體驗(yàn)的情況下采用了低成本的自主搭建的電源模塊。由變壓器將220V輸入轉(zhuǎn)化為24V輸出，再經(jīng)過同步整流MOS管全橋電路的整流大大降低了損耗，再用7812、7805和AMS117配合電路來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，將其做成電源箱后就可對各芯片進(jìn)行獨(dú)立供電了。

（2）控制模塊

控制模塊的ArduinoMCU通過模擬量I/O口發(fā)出信號給組合的138譯碼器來控制光耦隔離開關(guān)模塊，也可以直接通過終端產(chǎn)品通過WiFi通信來控制光耦隔離開關(guān)。光耦隔離開關(guān)模塊通過驅(qū)動電路來控制MOS管的導(dǎo)通于截止實(shí)現(xiàn)智能的效果。再M(fèi)OS管端口出并聯(lián)一個舵機(jī)開關(guān)直接短路來達(dá)到按鍵模式的主控、其他智能模式的輔助的應(yīng)用效果。為達(dá)到用戶需求降低成本的目的下，通過溫度、光照、聲音傳感器定時反饋?zhàn)呃鹊臏囟鹊葦?shù)據(jù)來控制走廊的燈具，這些傳感器布置于走廊等場所，其他區(qū)域只分布聲音傳感器。

（3）檢錯模塊

檢錯模塊主要由電壓測量元件組成。當(dāng)燈具出現(xiàn)故障時，就可以調(diào)節(jié)亮度來讀取電壓，也可以經(jīng)過歐姆定律轉(zhuǎn)換成電流共同來進(jìn)行電路故障的尋找與處理。

3.2 軟件系統(tǒng)搭建部分

對市場需求的調(diào)查和實(shí)際需求的分析，本系統(tǒng)設(shè)定了按鍵、無線、自動檢錯4種模式來滿足各種場景的切換。

（1）按鍵模式

按鍵模式為主控模式。在這個模式開啟之后整個智能化系統(tǒng)處于一個睡眠狀態(tài)達(dá)到低功耗的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)的是一種現(xiàn)代普遍的照明電路系統(tǒng)，通過一種普遍的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)回路的閉合點(diǎn)亮led燈具。

（2）無線模式

無線模式為輔助模式。這個模式用戶可以通過手機(jī)app等終端產(chǎn)品根據(jù)自己的需求通過網(wǎng)絡(luò)通信將控制指令下達(dá)給MCU，由內(nèi)部燒錄的代碼配合指令通過pwm和數(shù)字I/O口來控制電路來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的燈具開關(guān)與亮度，此界面還具有擴(kuò)展功能，用戶可以按照相應(yīng)的硬件說明來實(shí)現(xiàn)燈具的擴(kuò)展。

（3）自動模式

自動模式采用的是一種傳感器數(shù)據(jù)反饋的方法來實(shí)現(xiàn)自動切換功能。數(shù)據(jù)從敏感元件捕捉上來經(jīng)過轉(zhuǎn)換原件的處理后得到普通人可以使用的日常數(shù)據(jù)，再通過用戶普遍的需求進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。根據(jù)傳感器反饋的處理后的數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行比對，通過Arduino模擬I/O輸出口配合控制模塊電路進(jìn)行亮度的調(diào)節(jié)控制。

圖1 系統(tǒng)場景模式操作界面

圖2 檢錯模式反饋界面圖

（4）檢錯模式

檢錯模式主要是通過調(diào)節(jié)亮度再通過反饋回來的參數(shù)判別電路故障點(diǎn)，再根據(jù)常用故障說明書通過排除法來推斷故障點(diǎn)的問題所在。達(dá)到快、準(zhǔn)、狠的效果。

4 實(shí)現(xiàn)效果

系統(tǒng)硬檢錯模塊中，用戶可以調(diào)節(jié)亮度，根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù)參數(shù)后的電流和電壓變化進(jìn)行故障點(diǎn)的尋找，再通過常見故障說明書來判定燈具問題還是電路和其他元器件的問題，讓電路小白也可以進(jìn)行快、狠、準(zhǔn)的維修。如圖1、2所示。

總結(jié)：本文設(shè)計了一個家居照明系統(tǒng)，除了具備市面上已有聲控、手動開關(guān)等基本功能，還著重突出了系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程的智能兼容機(jī)制，符合了現(xiàn)代智能化的業(yè)務(wù)需求，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的照明效果，使得用戶在智能中不斷受到心理激勵，在生活中獲得幸福感，生有所福、事有激情。