智能家用情景照明系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

賈興茹,楊一叢,李寰宇,張書豪,吉雨岢,王 琦

(山西大學(xué)自動(dòng)化與軟件學(xué)院，山西 太原 030000)

0 引言

隨著人們的居住條件和環(huán)保意識(shí)的日益提高，對(duì)燈光和照明的要求也逐步提升。在日常生活中，普通的家用照明系統(tǒng)給生活帶來不便，如：在燈光照度過強(qiáng)浪費(fèi)電量而燈光照度較弱影響視力時(shí)，人們無法按照自己的需求調(diào)整燈光的光照強(qiáng)度；開燈關(guān)燈需要主動(dòng)走到開關(guān)前，浪費(fèi)了不必要的時(shí)間和精力；燈光無法恰當(dāng)?shù)馗鶕?jù)當(dāng)前使用者的情境和需求而豐富、準(zhǔn)確地營(yíng)造氛圍，娛樂性不強(qiáng)。

家用智能照明系統(tǒng)為上述問題提供了解決方案。該系統(tǒng)利用自動(dòng)化技術(shù)，通過自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制集成，實(shí)現(xiàn)燈光光照強(qiáng)度自動(dòng)控制；同時(shí)，結(jié)合LD3320語音識(shí)別系統(tǒng)控制燈光亮滅，并設(shè)定情景模式以滿足家庭娛樂的需求。

1 家用智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

家用智能照明系統(tǒng)[1]包括語音系統(tǒng)[2]、感光裝置、主控制器、自動(dòng)光照系統(tǒng)、照明控制裝置、照明裝置、電源模塊。系統(tǒng)通過語音指令選定不同的光照模式：自動(dòng)調(diào)光模式和情景模式。自動(dòng)調(diào)光模式下，照明強(qiáng)度隨著外界環(huán)境光照強(qiáng)度的不同而變化。系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)照明裝置[3]的照度，達(dá)到用戶當(dāng)前所需的亮度。情景模式下，系統(tǒng)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)特定模式的照明裝置。

智能照明系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。

圖1 智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)電路的硬件部分[4]主要包括主控制模塊、感光裝置、語音控制模塊、輔助控制模塊和照明裝置。

STC11L08XE是主控制模塊[5]。感光裝置為光敏電阻和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(andlog to digital converter,ADC)(TLC549)，用于采集光照信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給主控制模塊。語音模塊為L(zhǎng)D3320，負(fù)責(zé)采集聲音信息。主控制模塊對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理。STC89C52作為輔助控制模塊，通過串行通信的方式接收信息，并通過調(diào)節(jié)占空比的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)照明裝置的亮度控制。

光敏電阻、STC11L08XE、STC89C52和照明裝置組成自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)；LD3320與STC11L08XE組成語音部分。各部分系統(tǒng)由STC11L08XE統(tǒng)一調(diào)控。

在運(yùn)行脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)程序時(shí)，芯片會(huì)處于不停循環(huán)的狀態(tài)，如跳出循環(huán)則需要外部中斷。而語音系統(tǒng)所需的外部中斷情況復(fù)雜。所以硬件設(shè)計(jì)采用雙機(jī)通信的形式來完成相應(yīng)的程序：由STC11L08XE負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)；由STC89C52芯片執(zhí)行PWM程序。這樣既能使程序運(yùn)行更加順暢，又能減輕主控制模塊的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

2.1 主控制模塊

主控制模塊STC11L08XE的工作電壓為5.5～3.7 V，擁有8 KB的Flash，1 280 B的SRAM，含有異步串行接口，因此能滿足主控制模塊對(duì)資源的需要。主控制模塊主要用于接收并處理來自感光模塊和語音模塊的信號(hào)，再將其傳遞至輔助控制模塊以控制照明裝置照明。

STC11L08XE單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STC11L08XE單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 語音控制模塊

LD3320 芯片是一款“語音識(shí)別”專用芯片。該芯片集成了語音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括ADC、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter DAC)、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的[6]。工作電壓為3.3 V，支持并行和串行接口，每次識(shí)別最多可以設(shè)置 50 項(xiàng)候選識(shí)別句。每個(gè)識(shí)別句可以是單字、詞組或短句，長(zhǎng)度為不超過10個(gè)漢字或79 B的拼音串。另一方面，識(shí)別句內(nèi)容可以動(dòng)態(tài)編輯修改,因此可由一個(gè)系統(tǒng)支持多種場(chǎng)景[7]。

2.3 輔助控制模塊

輔助控制模塊STC89C52工作電壓為5.5～3.8 V[8]，是一種低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)。片內(nèi)含8 KB可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(erasable programmable read-only memory EPROM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)。片內(nèi)置通用8位中央處理器(central processing unit，CPU)和FLASH存儲(chǔ)單元

2.4 感光裝置模塊

光敏電阻采用Φ3系列的GL3526，具有體積小、響應(yīng)時(shí)間快，輸出電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)，滿足對(duì)室內(nèi)光照的檢測(cè)及數(shù)字信號(hào)裝換的需求。主控制模塊提前預(yù)設(shè)好室內(nèi)光照強(qiáng)度值。光敏電阻根據(jù)實(shí)際光照強(qiáng)度改變阻值影響感光模塊電壓。TLC549將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸至主控制模塊。主控制模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)換算，將換算值與設(shè)定值對(duì)比后，向輔助控制模塊傳送控制指令。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分由主程序和子程序組成。主程序分為主機(jī)主程序和從機(jī)主程序(即PWM程序)。子程序又分為情景模式子程序、自動(dòng)調(diào)光子程序和A/D轉(zhuǎn)換子程序。主機(jī)主程序位于STC11L08XE芯片中，是整個(gè)系統(tǒng)的樞紐，負(fù)責(zé)收集LD3320和ADC的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算處理之后將所得結(jié)果傳給STC89C52。PWM程序?qū)TC11L08XE的所傳結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM波，并通過PWM波控制每個(gè)燈泡的亮滅與光照強(qiáng)度。LD3320子程序負(fù)責(zé)收集語音信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換子程序負(fù)責(zé)收集光照強(qiáng)度信號(hào)[9]。

3.1 主機(jī)主程序

智能家用照明系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 智能家用照明系統(tǒng)程序流程圖

3.2 PWM程序

PWM子程序燒錄于STC89C52中：通過軟件延時(shí)的方法調(diào)節(jié)占空比[10]；通過中斷的方式結(jié)束當(dāng)前狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。PWM波的各項(xiàng)參數(shù)均由上位機(jī)提供。PWM程序流程圖如圖4所示。

圖4 PWM程序流程圖

3.3 情景模式子程序

情景模式子程序預(yù)先設(shè)定各情景模式下的對(duì)應(yīng)參數(shù)，通過與從機(jī)STC89C52串行通信，利用從機(jī)調(diào)整不同照明裝置的亮滅，并通過調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)照明裝置PWM波的占空比來調(diào)整亮度，從而達(dá)到對(duì)應(yīng)情景模式下的亮度。

3.4 自動(dòng)調(diào)光子程序

自動(dòng)調(diào)光子程序每隔一段時(shí)間通過感光模塊收集光照強(qiáng)度信息，與預(yù)設(shè)的理想光照進(jìn)行比較并通過改變PWM波的占空比來調(diào)整光照系統(tǒng)光照強(qiáng)度，從而改變室內(nèi)的光照強(qiáng)度，以保證室內(nèi)的光照強(qiáng)度處于預(yù)設(shè)光照強(qiáng)度范圍內(nèi)。此過程均由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，不需要人力反復(fù)調(diào)整。

3.5 A/D轉(zhuǎn)換子程序

A/D轉(zhuǎn)換子程序?qū)⒐饷綦娮璋l(fā)出的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，發(fā)給主芯片提供外界光照信號(hào)。

4 情景模式的應(yīng)用分析

為改善生活品質(zhì)，增加生活氛圍感，系統(tǒng)設(shè)定了幾種情景模式，分別為讀書模式、餐飲模式、觀影模式、休息模式、娛樂模式。通過不斷試驗(yàn)設(shè)計(jì)了每種情景模式對(duì)應(yīng)的不同燈組參數(shù)。每個(gè)燈組的正端接DC 5 V，通過調(diào)節(jié)負(fù)端低電平的占空比來調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。

情景模式參數(shù)設(shè)置如下。

①讀書模式：點(diǎn)亮燈組1、燈組2、燈組3，各燈組亮度分別設(shè)置為額定亮度的100%。

②餐飲模式：點(diǎn)亮燈組1、燈組2、燈組3、燈組4，各燈組亮度分別設(shè)置為額定亮度的50%。

③觀影模式：點(diǎn)亮燈組2、燈組3、燈組4，各燈組亮度分別設(shè)置為額定亮度的10%。

④休息模式：點(diǎn)亮燈組1，燈組亮度設(shè)置為額定亮度的10%。

⑤娛樂模式：點(diǎn)亮燈組1、燈組4，各燈組亮度分別設(shè)置為額定亮度的50%。

5 PWM仿真

PWM仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 PWM仿真結(jié)果

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的智能家用情景照明系統(tǒng)共使用了STC11L08XE、LD3320和STC89C52三塊單片機(jī)。其中：STC11L08XE為上位機(jī)，負(fù)責(zé)計(jì)算處理和統(tǒng)籌整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的各項(xiàng)指令均由STC11L08XE發(fā)出；LD3320作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)語音信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換即人機(jī)交互；STC89C52同為下位機(jī)，負(fù)責(zé)將上位機(jī)的指令裝換為PWM波控制燈泡光照強(qiáng)度及亮滅，以實(shí)現(xiàn)各種情景模式。

本文設(shè)計(jì)的智能家用情景照明系統(tǒng)通過用戶簡(jiǎn)單的語音指令實(shí)現(xiàn)舒適的光照環(huán)境和所需的氛圍，同時(shí)由自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的亮度調(diào)節(jié)，使用戶的室內(nèi)光照條件更舒適。