人性化家居照明設(shè)計(jì)

摘 要：近年來(lái)科技水平快速發(fā)展，諸多產(chǎn)品向智能化發(fā)展。電燈是家家戶戶最常用的家用電器，為了使人們能夠體驗(yàn)更加方便和智能的生活，享受科技發(fā)展的便利，設(shè)計(jì)了一種新型的智能家居照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼具智能化和人性化，不僅能夠改善人們的生活質(zhì)量，還能節(jié)能環(huán)保，延長(zhǎng)燈具壽命，可成為同類項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：智能家居照明; PWM控制; 健康工作和休息; 智能化; 人性化

中圖分類號(hào)： TU88

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

文章編號(hào)： 1674-8417（2024）11-0023-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.005

0 引 言

智能照明是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、有線和無(wú)線通信技術(shù)、電力載波通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)智能信息處理技術(shù)以及由分布式照明控制系統(tǒng)組成的節(jié)能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的智能控制［1-3］。該系統(tǒng)不僅可以根據(jù)語(yǔ)音或遙控控制燈光的顏色和亮度，還可以根據(jù)用戶說(shuō)話時(shí)的關(guān)鍵詞來(lái)判斷其情緒狀態(tài)，以此調(diào)節(jié)燈光的氛圍。有語(yǔ)音交互功能的燈具，不僅可以用來(lái)與人交流，還可以用來(lái)播放音頻，構(gòu)建三維音效。智能系統(tǒng)可以記錄用戶的作息時(shí)間、提前調(diào)光或照明，營(yíng)造入睡或起床的氛圍。如果用戶熬夜，它會(huì)自動(dòng)調(diào)整健康時(shí)間表，提醒用戶及時(shí)入睡，此外，如果此時(shí)有重要的事情，智能照明可以自動(dòng)調(diào)整燈光。當(dāng)人們生活在這種人性化、智能化的家居燈光環(huán)境中時(shí)，可以提高掌控情緒的能力。當(dāng)人們有不同的需求時(shí)，燈光會(huì)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整，這對(duì)人們的睡眠質(zhì)量和健康有很大幫助［4-6］。為了讓照明更好地服務(wù)于人們，本文提出了家居照明的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，從主要功能、LED燈選取和系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析3個(gè)方面介紹該智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 主要功能

1.1 日常生活照明

人們可以通過(guò)本地控制或遠(yuǎn)程控制來(lái)開(kāi)關(guān)燈，如客廳會(huì)客、書(shū)房閱讀和辦公、臥室休息、廚房烹飪、樓梯感應(yīng)燈和其他房間?？梢酝ㄟ^(guò)手機(jī)軟件控制各個(gè)區(qū)域的燈光。不管人們處在何處，不必?fù)?dān)心家里的燈有沒(méi)有關(guān)閉，僅需通過(guò)手機(jī)后臺(tái)查看，就可以輕松地查看和控制整個(gè)房間的照明。

1.2 情緒照顧

該部分功能主要通過(guò)語(yǔ)音交互實(shí)現(xiàn)。如當(dāng)一個(gè)人回到家時(shí)，他打電話給他最好的朋友，抱怨遇到的煩心事。此時(shí)，客廳的智能照明系統(tǒng)會(huì)捕捉這些關(guān)鍵詞，比如“不開(kāi)心”或“吵架”，然后智能照明系統(tǒng)會(huì)按照事先編輯好的程序，調(diào)整燈光，發(fā)出柔和的燈光，使環(huán)境變得更加溫和。同時(shí)，還將與互聯(lián)網(wǎng)連接，并播放選定音樂(lè)，讓用戶的心情快速平靜下來(lái)。當(dāng)人們感到快樂(lè)時(shí)，就會(huì)觸發(fā)“快樂(lè)”或“幸?！钡忍厥獾年P(guān)鍵詞，燈光會(huì)變得更亮，歌曲的旋律也會(huì)更輕快。該功能也可以在客戶端控制，用戶可以設(shè)置開(kāi)始時(shí)間、關(guān)閉或調(diào)整關(guān)鍵字，更改歌曲列表等［7-8］。

1.3 健康作息系統(tǒng)

現(xiàn)在人們的作息越來(lái)越不規(guī)律，熬夜已經(jīng)成為一種普遍現(xiàn)象，這可能會(huì)導(dǎo)致睡眠質(zhì)量越來(lái)越差，最終可能形成惡性循環(huán)。LED燈的健康工作和休息系統(tǒng)將改善這種現(xiàn)象。例如，當(dāng)用戶將睡眠時(shí)間設(shè)置為從23∶00至第二天7∶00時(shí)，燈光將在22∶45變暗，主燈將熄滅，小夜燈將點(diǎn)亮，創(chuàng)造出一個(gè)靜謐環(huán)境，提醒主人該睡覺(jué)了。如果用戶長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有睡覺(jué)，LED燈健康系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲音提醒。

健康系統(tǒng)還將了解人們的日常工作和休息習(xí)慣。如小憩、工作日和周末睡眠時(shí)間的差異，它會(huì)自主簡(jiǎn)單地調(diào)整時(shí)間。這種學(xué)習(xí)是基于手動(dòng)關(guān)燈的時(shí)間記錄來(lái)分析大數(shù)據(jù)，并使用線性回歸來(lái)獲得合理的時(shí)間曲線。當(dāng)用戶需要調(diào)整時(shí)差時(shí)，該健康系統(tǒng)可以根據(jù)個(gè)人特點(diǎn)模擬特定時(shí)間的室內(nèi)亮度，從而更好地起到輔助作用。

2 照明系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STC89C51作為主控芯片，通過(guò)其外部接口與其他外部模塊相連。主要包括Wi-Fi無(wú)線模塊、語(yǔ)音模塊、顯示模塊和電源控制模塊。每個(gè)模塊都可以通過(guò)主控模塊有效地完成接收外部信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)任務(wù)，然后將它們傳輸?shù)狡渌K進(jìn)行工作，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，可以根據(jù)LED智能照明控制系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)有效地控制光線。

可以分為本地控制和遠(yuǎn)程控制。本地控制通過(guò)開(kāi)關(guān)、語(yǔ)音識(shí)別模塊等，實(shí)現(xiàn)照明的精準(zhǔn)控制，這種控制方式適用于近距離或者不熟悉智能控制的應(yīng)用場(chǎng)景。遠(yuǎn)程控制結(jié)合軟件與Wi-Fi模塊下發(fā)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，這種控制方式適用于遠(yuǎn)距離應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 實(shí)施方式

借助串行通信，當(dāng)STC89C51檢測(cè)到Wi-Fi串行端口接收數(shù)據(jù)時(shí)，移動(dòng)終端設(shè)備可以通過(guò)ESP8266的Wi-Fi模塊發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來(lái)控制LED燈。亮度調(diào)節(jié)功能采用PWM調(diào)光技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)單色光。LED燈發(fā)光調(diào)光均采用紅、黃、藍(lán)3種LED的混合調(diào)光技術(shù)和PWM調(diào)光技術(shù)，調(diào)節(jié)3種光的占空比，實(shí)現(xiàn)多種顏色和色溫的變化。在完成第一次控制后，STC89C51繼續(xù)監(jiān)視Wi-Fi模塊的串行數(shù)據(jù)，等待下一個(gè)命令的到來(lái)［9］。

2.3 Wi-Fi模塊選取

由于單片機(jī)與模塊之間采用串行通信，晶體頻率為9 600 Hz，電源工作電壓為直流3.5 V，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選用ESP8266模塊，該Wi-Fi模塊可以借助串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，接收指令以及向MCU發(fā)送指令的功能。該模塊在市面上應(yīng)用較廣，相對(duì)成熟且成本較低。

2.4 語(yǔ)音交互模塊選取

本設(shè)計(jì)方案選取LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊。該模塊可用于語(yǔ)音交互和語(yǔ)音控制，且非常成熟和方便，具有很強(qiáng)的嵌入性和實(shí)用性。它有16個(gè)I/O接口，一個(gè)串行端口和其他用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的微控制器，其供電電壓為5 V，I/O端口可輸出3.3 V的高電平［10］。

智能照明控制系統(tǒng)包括終端節(jié)點(diǎn)、控制中心及移動(dòng)終端。這3個(gè)部分環(huán)環(huán)相扣，密不可分。其中，終端節(jié)點(diǎn)包括調(diào)節(jié)燈光亮度的PWM驅(qū)動(dòng)器和可以接收控制中心命令的無(wú)線通信電路，這一部分是最終的控制變量，功能可等效為人手?？刂浦行陌娐贰⑴c終端節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信，以及與移動(dòng)終端的藍(lán)牙通信。移動(dòng)終端主要指手機(jī)等操作器上的App，命令通過(guò)移動(dòng)終端的App發(fā)送到控制中心，控制中心通過(guò)藍(lán)牙接收命令，并將該信息通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備控制燈光開(kāi)關(guān)、亮或暗的調(diào)節(jié)功能?？刂浦行牟糠趾鸵苿?dòng)終端部分類似于人腦，結(jié)合實(shí)時(shí)場(chǎng)景下發(fā)控制指令給到終端節(jié)點(diǎn)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.5 LED燈具選取

智能化的室內(nèi)照明將使人們的生活更加舒適和便捷。相反，濫用燈光會(huì)導(dǎo)致身體和心理的亞健康，使人出現(xiàn)緊張、抑郁、疲勞等。因此，照明設(shè)備的選擇決定了照明環(huán)境的安全性和舒適性。對(duì)于LED燈具的選取，首先應(yīng)符合國(guó)家通用照明LED燈具標(biāo)準(zhǔn)，其次再考慮其美觀與否，是否符合用戶要求。有些燈具可以直接使用，并通過(guò)控制電流的大小，簡(jiǎn)單地調(diào)整亮度，燈光顏色可以是黃色和白色。

國(guó)內(nèi)某大學(xué)的研究人員就人們對(duì)不同顏色、色溫和光源的視覺(jué)偏好進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彩色調(diào)室內(nèi)照明環(huán)境比中性調(diào)室內(nèi)照明更舒適和健康。其中，人們最舒適的彩色調(diào)房間是4 000 K的照明場(chǎng)景，而最滿意的中性色調(diào)房間是2 700 K的照明場(chǎng)景［11］。

此外，也應(yīng)該考慮光的頻閃問(wèn)題。國(guó)內(nèi)某大學(xué)的研究人員研究了光源頻閃對(duì)人體健康的影響。研究結(jié)果表明，光源的視覺(jué)效果不僅會(huì)嚴(yán)重影響人們的心理、情感甚至生理機(jī)能，還會(huì)對(duì)人們的睡眠和注意力產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響［12］。

2.6 主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案首先選用C語(yǔ)言作為程序語(yǔ)言。該程序易于理解和檢查，并且具有添加操作等后續(xù)功能。它可以有效地解決許多數(shù)據(jù)問(wèn)題。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，需要初始化主程序，輸出定時(shí)I/O端口以驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音模塊交換信息并將數(shù)據(jù)發(fā)送到Wi-Fi模塊。

2.7 控制信號(hào)的傳輸方式

本設(shè)計(jì)方案選用X-10傳輸母線，它利用現(xiàn)有的電力線來(lái)控制家中的電子和電氣產(chǎn)品。這也是國(guó)外最早流行的智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。X-10傳輸母線是以60 Hz（或50 Hz）為載波，120 kHz脈沖為調(diào)制波而發(fā)展起來(lái)的數(shù)字控制技術(shù)。利用商用電源正弦信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)傳輸，從調(diào)光控制箱引出3路，分別與調(diào)光段LED定律相連，分別標(biāo)記為X-10-a通道、X-10-b通道和X-10-c通道。調(diào)光控制信號(hào)傳輸模式框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 優(yōu) 點(diǎn)

（1） 日常照明智能化。智能照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵控制和自動(dòng)化管理，可借助手機(jī)實(shí)時(shí)查看和控制房間內(nèi)所有的燈光，根據(jù)不同的情景模式自動(dòng)切換照明，提供方便快捷的照明控制體驗(yàn)。

（2） 提高生活質(zhì)量。智能照明系統(tǒng)可以借助語(yǔ)音交互感知情緒，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)燈光色調(diào)，使人感到溫馨舒適。智能照明系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)人的日常工作和休息習(xí)慣，自主調(diào)整開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，使人們作息更規(guī)律，睡眠質(zhì)量更高。

（3） 節(jié)能環(huán)保。智能照明系統(tǒng)能夠智能調(diào)節(jié)燈光亮度，充分利用自然光，有效節(jié)約電能，減少電費(fèi)支出，同時(shí)有助于減少環(huán)境污染。

（4） 延長(zhǎng)燈具壽命。智能照明系統(tǒng)通過(guò)智能調(diào)光技術(shù)，減少電壓波動(dòng)對(duì)燈具的損害，從而延長(zhǎng)燈具的使用壽命。此外，智能照明系統(tǒng)能夠在無(wú)人使用時(shí)自動(dòng)關(guān)閉或調(diào)暗燈光，減少因長(zhǎng)時(shí)間工作而造成的損害。

（5） 提高管理水平。智能照明系統(tǒng)采用總線式系統(tǒng)，安裝時(shí)無(wú)須考慮復(fù)雜的控制關(guān)系，節(jié)省線纜和人工費(fèi)用，且有助于集中管理照明設(shè)備，減少人為浪費(fèi)，提高整體的管理水平。

3.2 缺 點(diǎn)

（1） 該LED燈健康系統(tǒng)僅用作輔助，具體實(shí)施取決于用戶是否主觀地想要進(jìn)行健康的工作和休息，如果用戶手動(dòng)關(guān)閉此功能，此功能將失效。

（2） 當(dāng)用戶打開(kāi)該功能時(shí)，可能會(huì)無(wú)意中觸發(fā)關(guān)鍵字并更改燈光［13］。

（3） 目前智能照明行業(yè)仍處于不平衡的發(fā)展階段。然而，終端設(shè)備的發(fā)展和技術(shù)還不成熟，這讓許多消費(fèi)者不敢購(gòu)買，商家也不敢輕易推廣。

（4） 一個(gè)好的產(chǎn)品需要有市場(chǎng)，需要得到消費(fèi)者的喜愛(ài)，產(chǎn)品的兼容性也會(huì)影響消費(fèi)者的購(gòu)買熱情。因此，需要對(duì)這一行業(yè)進(jìn)行更為具體的監(jiān)管，以及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和照明企業(yè)之間進(jìn)行更好的合作和互利，最大限度地實(shí)現(xiàn)技術(shù)和信息共享。

（5） 智能照明的布線和布局相對(duì)復(fù)雜，會(huì)給后期維護(hù)帶來(lái)一定的麻煩，未來(lái)有必要對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化和集成。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新的智能化照明方案，描述了LED燈健康控制系統(tǒng)及其主要功能，實(shí)現(xiàn)了家居照明的人性化智能調(diào)節(jié)。目前，傳統(tǒng)的智能家居照明存在較強(qiáng)的局限性，僅僅用遙控器、手機(jī)等設(shè)備做控制，或采用語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的切換，已經(jīng)不能滿足人們對(duì)“智能”這個(gè)詞的理解和需求。本文設(shè)計(jì)了一種理想化的智能健康照明系統(tǒng)，旨在為人們提供一種新的智能理念，在注重工作的同時(shí)，提高人們家庭生活的舒適性，保證人們的身體健康和心理健康。

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Humanized Home Lighting Design

Abstract：

In recent years，the level of science and technology has developed rapidly，and many products have developed towards intelligence.Electric light is the most commonly used household appliances in every household，in order to enable people to experience a more convenient and more intelligent life，enjoy the convenience of scientific and technological development，the author has designed a new type of smart home lighting system.It is both intelligent and humanized，which can not only improve people’s quality of life，but also save energy and environmental protection，prolong the life of lamps and lanterns，and it can provide reference for similar projects.

Key words：

smart home lighting; PWM control; healthy work and rest; intelligence; humanization