自行移動(dòng)智能照明燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：針對(duì)現(xiàn)存照明設(shè)備無法自行移動(dòng)的問題，設(shè)計(jì)了一種可自行跟隨使用者并能根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度的智能移動(dòng)照明燈。采用模塊化思想，動(dòng)力系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，由超聲波傳感器測(cè)距并根據(jù)返回值判斷小車與使用者的距離，而后控制小車實(shí)現(xiàn)跟隨功能；照明系統(tǒng)采用Arduino單片機(jī)控制光敏電阻傳感器檢測(cè)所處環(huán)境的光線強(qiáng)度，通過PWM控制三色LED調(diào)光調(diào)色以適合當(dāng)前環(huán)境所需的亮度。研究結(jié)果表明：該原型系統(tǒng)不僅能為使用者提供跟隨自適應(yīng)照明，還具備較好的護(hù)眼功能和節(jié)能效果，具有較強(qiáng)的產(chǎn)品化和市場(chǎng)化潛力。

關(guān)鍵詞：自行跟隨；移動(dòng)照明；STC89C52單片機(jī)；傳感器；自適應(yīng)照明；節(jié)能護(hù)眼

中圖分類號(hào)：TP274+.2；TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

隨著智能化的發(fā)展，健康、舒適、節(jié)能成為人們對(duì)現(xiàn)代照明的主要需求方向[1-2]。根據(jù)照明場(chǎng)所的不同可分為室內(nèi)照明和室外照明。室內(nèi)照明的研究熱點(diǎn)主要圍繞環(huán)境自適應(yīng)和無影照明[3-4]。潘萍等[5]通過改進(jìn)ZigBee路由算法實(shí)現(xiàn)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的LED照明光源調(diào)節(jié)。呂聯(lián)榮等[6]提出了一種基于機(jī)器視覺的自動(dòng)追蹤照明方案，結(jié)合顏色追蹤算法實(shí)現(xiàn)“無影燈”效果。室外照明主要研究道路照明和戶外作業(yè)[7-8]。

周華安等[9]依據(jù)路面實(shí)時(shí)平均亮度反饋和分時(shí)段平均車流量統(tǒng)計(jì)提出一種城市道路照明自適應(yīng)節(jié)能控制算法。晉良海等[10]提出建立照明工效的光度學(xué)BIM輔助優(yōu)化模型并優(yōu)化照明燈源光學(xué)參數(shù)，可顯著提升塔機(jī)夜間起重作業(yè)面光照度。上述方法普遍以燈源位置固定或可小范圍移動(dòng)為前提，以致無法隨時(shí)為使用者提供最佳照明。目前，跟隨技術(shù)在汽車、艦船等領(lǐng)域已有應(yīng)用，可以將此技術(shù)借鑒在照明領(lǐng)域[11-13]。因此，設(shè)計(jì)一種可跟隨使用者自行移動(dòng)和隨環(huán)境變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且價(jià)格適中的智能照明燈是必要的且有價(jià)值的。

本文提出了一種基于超聲傳感的自行移動(dòng)智能照明系統(tǒng)，系統(tǒng)包含動(dòng)力模塊和照明模塊。動(dòng)力系統(tǒng)以STC89C52為主控制器，通過超聲波傳感器采集使用者位置信息，并根據(jù)位置信息控制智能小車跟隨使用者。照明系統(tǒng)以Arduino UNO R3為主控制器，采用光敏傳感器檢測(cè)環(huán)境亮度，主控制器根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)LED光亮值。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟隨使用者和自適應(yīng)調(diào)節(jié)亮度功能，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能照明領(lǐng)域的一種有益探索與典型應(yīng)用，經(jīng)進(jìn)一步改良和細(xì)化后將具備較強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自行移動(dòng)智能照明燈包括跟隨使用者自行移動(dòng)的小車和隨環(huán)境自適應(yīng)調(diào)節(jié)亮度的照明燈。為更好地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制及為進(jìn)一步改良和細(xì)化做準(zhǔn)備，考慮采用模塊化思想對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

動(dòng)力系統(tǒng)由單片機(jī)作為主控芯片，使用者進(jìn)入跟隨預(yù)設(shè)值范圍后，啟動(dòng)跟隨程序。首先預(yù)設(shè)使用者與小車距離范圍，然后采用超聲波傳感器測(cè)量小車與使用者之間的距離并將返回值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，測(cè)距返回值大于預(yù)設(shè)值則驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)，小于預(yù)設(shè)值則驅(qū)動(dòng)小車后退。通過超聲傳感器循環(huán)檢測(cè)，小車始終與使用者保持在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨功能。動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

照明系統(tǒng)以單片機(jī)作為主控芯片，通過光敏傳感器檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境光亮程度并發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)環(huán)境光亮程度調(diào)節(jié)LED燈光亮度以適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境。照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)控制，通過超聲波傳感器檢測(cè)小車與目標(biāo)人的距離，將直流電機(jī)作為小車驅(qū)動(dòng)。程序運(yùn)行流程如圖3所示。其中初始化模塊包括電機(jī)模塊和超聲波模塊。工作異常包括電壓過低、程序錯(cuò)誤和芯片損壞。

程序中未檢測(cè)到目標(biāo)人時(shí)循環(huán)檢測(cè)，檢測(cè)到目標(biāo)人后電機(jī)控制小車按規(guī)劃距離進(jìn)行跟隨。本系統(tǒng)選取15～30 cm作為使用者與小車之間的規(guī)劃距離。當(dāng)距離小于15 cm時(shí)，小車后退并循環(huán)檢測(cè)直至間距達(dá)到15 cm后停止；當(dāng)距離大于30 cm時(shí)，小車前進(jìn)并循環(huán)檢測(cè)至間距達(dá)到30 cm時(shí)停止；當(dāng)首次檢測(cè)距離大于15 cm且小于30 cm時(shí)，小車靜止直至距離達(dá)到30 cm后跟隨。當(dāng)檢測(cè)到多個(gè)目標(biāo)人時(shí)，以距離最近者作為目標(biāo)，并保持跟隨直至收到按鍵信號(hào)或系統(tǒng)關(guān)機(jī)。

2.2 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)采用Arduino UNO R3單片機(jī)作為控制單元，光敏電阻傳感器檢測(cè)所處環(huán)境的光線強(qiáng)度，通過RGB三色LED調(diào)光調(diào)色，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)光護(hù)眼功能。程序運(yùn)行流程如圖4所示。

自動(dòng)調(diào)光步驟所用LED燈采用三通道 PWM 調(diào)光調(diào)色，通過調(diào)節(jié)占空比的方式實(shí)現(xiàn)三色混合光，可以連續(xù)動(dòng)態(tài)地模擬出不同色溫的太陽光，從而實(shí)現(xiàn)燈光始終保持適合人眼工作的效果。根據(jù)格拉斯曼定律和光通量與占空比近似成正比例函數(shù)關(guān)系這一特性，則有：

式中：DR、DG、DB分別為紅色、綠色、藍(lán)色的占空比；YR、YG、YB分別為光源紅色、綠色、藍(lán)色滿電流工作下的刺激值；Ym為混合光源刺激值[14]。通過計(jì)算可獲得2 000～6 000 K色溫下太陽光的刺激值。

光敏電阻隨光線強(qiáng)度增大，阻值減小。系統(tǒng)采用3.7 V參考電壓，將0～3.7 V分為5段，分別輸出不同色溫太陽光，見表1所列。其控制過程是將發(fā)出的RGB光亮度信息編碼調(diào)制后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成不同頻率電信號(hào)，再經(jīng)均衡和驅(qū)動(dòng)電路處理后加載到LED燈。

2.3 電源低壓報(bào)警

動(dòng)力和照明模塊采用同一個(gè)3.7 V可充電鋰電池供電，電壓過低時(shí)將影響系統(tǒng)正常工作。低壓報(bào)警電路如圖5所示。

圖5中T1、T2選用雙極結(jié)型晶體管BC547，首先調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器將VCC設(shè)置成報(bào)警電壓3.7 V，通過電阻分壓將T1基極電壓調(diào)到低于1.4 V，則T1截止、T2導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)VCC電壓高于1.4 V時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止，蜂鳴器關(guān)閉，也可通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來調(diào)整低壓電壓報(bào)警閾值。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

自行移動(dòng)智能照明燈實(shí)物樣品如圖6所示。跟隨測(cè)試時(shí)使用者由遠(yuǎn)及近向小車靠近，距離小車50 cm時(shí)小車前進(jìn)至距離30 cm時(shí)停止；使用者繼續(xù)靠近距離小于15 cm時(shí)，小車同步后退并與使用者始終保持15 cm；使用者遠(yuǎn)離小車至

30 cm后，小車前進(jìn)跟隨。結(jié)果表明，該智能照明燈可在與使用者距離為50 cm后啟動(dòng)跟隨功能，并能根據(jù)使用者速度調(diào)整自身速度，始終保持移動(dòng)跟隨，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

照明測(cè)試在可調(diào)節(jié)燈光環(huán)境下進(jìn)行，由全亮環(huán)境開始不斷降低環(huán)境亮度至全暗，移動(dòng)智能照明燈分5檔不斷變亮，智能照明燈在30 cm范圍內(nèi)始終保持明亮。結(jié)果表明，分檔方式下調(diào)光過程抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)可滿足護(hù)眼照明要求。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)以Arduino UNO R3和STC89C52微控制器作為主控單元，采用模塊化設(shè)計(jì)，基于超聲傳感與光敏傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種同時(shí)具備自行跟隨與亮度自調(diào)節(jié)功能的移動(dòng)智能照明燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)在為使用者提供跟隨照明的同時(shí)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)護(hù)眼功能；此外，該照明燈與使用者距離較近，因此對(duì)照明要求相對(duì)降低，具有節(jié)能效果。

在系統(tǒng)功能方面，仍有許多內(nèi)容值得進(jìn)一步細(xì)化與探究。首先，在燈光自適應(yīng)算法方面，可以考慮與超聲傳感器獲取的距離信息結(jié)合，更好地實(shí)現(xiàn)護(hù)眼照明效果；其次，在設(shè)計(jì)器件封裝方面，可考慮根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行芯片集成和封裝。例如室內(nèi)照明、夜間行走、戶外作業(yè)等情形下可根據(jù)實(shí)際需求選取不同芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)封裝，則系統(tǒng)的實(shí)用性將進(jìn)一步提高；再次，由于室內(nèi)樓梯、室外凹凸不平路面對(duì)小車跟隨功能影響較大，如結(jié)合無人機(jī)技術(shù)研制低成本的智能飛行跟隨照明燈，將有更大的實(shí)際需求和應(yīng)用

價(jià)值。

注：本文通訊作者為姜愉。

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