殷瑤 楊倩茹 龔梽瑋 王岫鑫
摘 要 基于生命信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)以 STC12C5A60S2 單片機為核心,結(jié)合脈搏傳感器、心電傳感器、血氧傳感器、紅外傳感器、光強傳感器等的功能,根據(jù)生理信號和環(huán)境信息控制 LED 燈使其發(fā)出不同亮度、色彩以及色溫的光,從而滿足人們不同的情景照明需求,真正實現(xiàn)因“你”而亮(“你”指的是人和環(huán)境)。
關(guān)鍵詞 傳感器 LED 情景照明 通信模塊
中圖分類號:TP242 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0745(2021)07-0023-03
1 研究目的及意義
為了滿足人們?nèi)粘5恼彰餍枨蟮耐瑫r還要做到電能的節(jié)約,本系統(tǒng)在保持原有電力布局的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了個性化的設(shè)置。本系統(tǒng)打造的LED燈能夠為人們營造溫馨、浪漫、多彩的氛圍,不僅如此,本系統(tǒng)還可以對人體不健康的狀況予以示警。這樣的照明系統(tǒng)能夠更好的為人類的生活提供便利。
本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點就是將照明和人與環(huán)境相結(jié)合[1],真正實現(xiàn)因“你”而亮,“你”指的是人和環(huán)境。它不需要你手動操作,而是根據(jù)生理信號和周圍的環(huán)境信息自動控制照明燈的亮度、色彩以及色溫,從而為人們提供一種舒適多彩的照明環(huán)境。
2 功能分析
現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的產(chǎn)品大多是以傳感器感知人體存在時反饋并進行單純的燈光照明[2],而本作品增加了生理信息采集模塊進行人體生物信號的感知和反饋,生理信號采集模塊對心率、脈搏信號采集并通過藍牙發(fā)送到軟件進行分析處理后進行不同的燈光反饋,可以從不同生理信號反饋的不同燈光得知人體的健康狀況,還可以對人即將進行的活動予以提醒,對危險的人體健康狀況予以警示。
系統(tǒng)具有以下幾個功能:自動亮滅、明暗調(diào)節(jié)、情景照明、生理控制、健康預警、時間提醒。
3 內(nèi)容與技術(shù)
3.1 硬件
系統(tǒng)主要是由信息采集模塊、藍牙模塊、集中控制器(EEC)、LED驅(qū)動模塊和接收終端組成。首先是信息采集模塊[3],它將采集到的紅外信息、生物信息和其他信息通過從發(fā)送端傳送給藍牙,其次藍牙模塊把信息傳輸給EEC,最終起到核心控制作用的就是EEC模塊,EEC處理分析這些采集的生理信息并發(fā)出控制信號。其中,發(fā)送端與接收端之間采用電力載波通信技術(shù)[4]實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程通信,通過低壓220V電力線連接。在電力載波模塊接收端捕獲電網(wǎng)中的載波信號之后,將濾波和譯碼后的信號通過SPI口傳遞給微控制器單元;微控制器單元解析并處理接收到的信號,輸出相應(yīng)的PWM信號;LED驅(qū)動模塊根據(jù)PWM信號[5]判斷是否點亮或調(diào)節(jié)各路LED燈的亮度,從而可以達到調(diào)節(jié)色彩、亮度以及色溫、自動控制亮滅的目的,具體流程圖如圖1所示。
3.1.1 生理信號采集模塊
生理信號采集模塊主要分為3大模塊:藍牙發(fā)送電路、傳感電路以及電源電路。其中電源模塊主要是用ASM1117芯片[6]及相關(guān)電路進行5V到3.3V穩(wěn)壓以及可以進行電量檢測。傳感電路主要由SON1303和SON3130芯片及相關(guān)電路組成。衡量傳感器好壞的一大標準就是信噪比,反射率提高,測量感度提高,從而引起信噪比的提高。想要芯片的反射率更高,就需要波長小,如570nm的綠光就比900nm的紅外光反射率更高。SON1303芯片即是利用這一原理,它采用反射式光電傳感器使測量方式,通過改變傳統(tǒng)的紅外光來提高反射率?,F(xiàn)多應(yīng)用于可穿戴式心率傳感器、運動心率儀等。最后藍牙發(fā)送電路主要是cc2540芯片及相關(guān)電路組成,用于將采集到的心率、脈搏信號發(fā)送出去。
3.1.2 光強傳感器模塊
光強傳感器模塊采用BH1750芯片組成電路。BH1750是半導體制造商ROHM為適應(yīng)以移動電話手機為首的便捷式機器和液晶電視等電器的要求而開發(fā)出的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性的數(shù)字環(huán)境亮度傳感器。這也意味著可以省略一直以來必須進行的外部演算處理。無論外界環(huán)境明暗程度如何它都類似于人類視覺對亮度的感應(yīng)機制,能夠進行大范圍的亮度測定。
3.1.3 人體感應(yīng)傳感器模塊
人體感應(yīng)傳感器選擇的是型號為HC-SR501人體感應(yīng)模塊[7],它是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊,采用德國原裝進口LHI778探頭設(shè)計,具有靈敏度高、可靠性強等優(yōu)點。感應(yīng)模塊有三個引腳,即電源、地和輸出引腳。經(jīng)過反復實驗,在一個辦公室中如果有人,但200秒之內(nèi)都沒有人有動作,導致感應(yīng)模塊輸出低電平的情況基本不會發(fā)生,所以將延時時間調(diào)到最大就可以滿足監(jiān)測要求。同時,將感應(yīng)距離調(diào)節(jié)也到最大。在通電后有一分鐘左右的初始化時間,一分鐘后進入監(jiān)測狀態(tài)。
3.1.4 電力載波通信模塊
電力載波通信模塊是基于載波芯片MI200E設(shè)計而成。MI200E是一款高性能的高集成數(shù)?;旌陷d波通信芯片,專門針對低壓電力線進行優(yōu)化設(shè)計的高度集成、高性能的電力線載波通訊芯片。可以提供載波偵聽和有效偵指示信號。其特點有內(nèi)置開關(guān)電容帶通濾波器(BPF)內(nèi)置數(shù)字功率放大器(DPA)、內(nèi)置CRC-16硬件校驗電路、可適用于不同環(huán)境的傳輸速率、可變擴頻增益等,采用SOP24封裝。現(xiàn)芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于路燈控制系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、路燈控制系統(tǒng)等方面。
3.2 軟件
集中控制器軟件設(shè)計、接收終端軟件設(shè)計是軟件設(shè)計中兩個主要的部分。兩個部分都需要先初始化設(shè)備。首先是接收終端軟件設(shè)計,采集的生物信號在集中控制器中經(jīng)過解析譯碼處理后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號向各個支路廣播信息,軟件會根據(jù)反饋的生物信息下達命令,在確定收到命令之后,進行解碼、譯碼、向支路上廣播信息等步驟。其次是集中控制器軟件設(shè)計,軟件會自動判斷是否捕獲到載波信號,如果是,就進行以下步驟:接受信號、解碼地址位、校驗地址位、解碼數(shù)據(jù)位、輸出PWM信號,經(jīng)過單片機的分析處理輸出三路PWM信號分別控制紅、綠、藍三組LED燈具的亮度,從而可以達到調(diào)節(jié)亮度、色彩以及色溫的目的。
4 應(yīng)用和前景
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益發(fā)展,智能家居與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用息息相關(guān),相關(guān)應(yīng)用層出不窮。作為智能家居的一部分,照明與人們生活息息相關(guān),其中如何對照明系統(tǒng)進行更人性化、智能化的控制也成為了智能家居中舉足輕重的一部分,智慧情景照明系統(tǒng)應(yīng)運而生。目前,智慧生活逐漸與人和環(huán)境相結(jié)合,隨著“互聯(lián)網(wǎng)”時代的到來,智慧情景照明系統(tǒng)智慧化、信息化、人性化、綠色化已成為未來發(fā)展的必然趨勢。此系統(tǒng)不但綠色環(huán)保,節(jié)約能源,還可以提升城市的形象、美化居室環(huán)境,給人們提供更加安全和舒適的照明。
5 結(jié)語
基于生物信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點就是將照明和人與環(huán)境相結(jié)合。擁有自動亮滅、明暗調(diào)節(jié)、情景照明、生理控制、健康預警、時間提醒等多項功能。硬件和軟件設(shè)計都新穎實用,電力載波技術(shù)和藍牙技術(shù)等技術(shù)也都合理運用,根據(jù)信息采集模塊采集的生理信號(心電、血氧、脈搏等)、紅外信號以及光強信號,利用終端控制器對LED進行控制,改變燈光以符合人們隨時的需求,在創(chuàng)造舒適健康環(huán)境的同時還能節(jié)能環(huán)保,真正實現(xiàn)因“你”而亮。生物信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)還有很多正在發(fā)掘的優(yōu)點和潛力,如可以廣泛用于長期有老人生活的家庭等。
參考文獻:
[1] 姜亞南,楊帥,魏天勇.基于電力線通信技術(shù)的城市路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2011(07):39-42.
[2] 易平波,朱良學,劉志英.國內(nèi)電力線載波數(shù)傳模塊的研發(fā)分析[J].電子科技,2009,22(02):55-59.
[3] 王振朝,郭偉東,王伊瑾.基于電力線載波通信技術(shù)的抄表通信模塊設(shè)計[J].電測與儀表,2009,46(03):72-76.
[4] 葉瑋瓊,余永權(quán),劉志煌.智能家居電力線總線研究與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2008,24(03):305-307.
[5] 王斌,蘭用,劉學鵬.網(wǎng)絡(luò)家電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2006(07):1-5.
[6] 高小平.中國智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].低壓電器,2005(04):18-21.
[7] 馮蓉珍.基于電力載波通信的遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)通信,2010(10):65-69.