陳劍雪 王宇嘉 王曉軍 麻超 劉熙昌 孔祥營

摘 要 本文從本科生實際情況出發(fā)，基于一個具體的智能照明裝置創(chuàng)新項目，介紹了創(chuàng)新實驗項目的實施過程，探討了基于當下的各種開放開源平臺，如何切實提高本科生動手創(chuàng)新能力的教學實踐。

關鍵詞 創(chuàng)新 智能照明裝置 實踐

中圖分類號：TU113.66 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.01.075

Practice and Exploration of Innovation Project

on Intelligent Lighting Device

CHEN Jianxue， WANG Yujiang， WANG Xiaojun， MA Chao， LIU Xichang， KONG Xiangying

Abstract This paper introduces the experience of how to execute the innovation experiment project in college application education， that is， a practical intelligent lighting device project. Also， the method of improving the innovation ability of college students is discussed under various open platforms in information industry and technology.

Key words innovation; intelligent lighting device; practice

0 引言

創(chuàng)新是素質教育的關鍵。高等教育作為知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新體系的基礎，其責任就是要培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才。培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新實踐能力，是高等學校教育的重要內(nèi)涵，是學生自身發(fā)展和社會經(jīng)濟發(fā)展的要求。通過歷年創(chuàng)新項目的實施，表明在自動化、計算機、電子信息等相關領域中，結合信息領域新技術和工程實際問題的創(chuàng)新項目，有效地培養(yǎng)了本科生的創(chuàng)新意識和實際動手能力。本文結合智能照明裝置創(chuàng)新項目，探討創(chuàng)新項目實施的一些具體經(jīng)驗。

1 創(chuàng)新項目的提出

智能家居是當前最熱的研究方向之一，在電子設備和智能手機越來越普及的時代，智能家居的各種開發(fā)創(chuàng)意越來越受到重視。智能家居的照明控制系統(tǒng)，就是根據(jù)某一區(qū)域的功能，每天不同的時間、室外光亮度或該區(qū)域的用途來自動控制照明，是整個智能家居的基礎部分。在智能照明系統(tǒng)中，用于燈光照明控制時能對電燈進行單個獨立的開、關、調光等功能控制，也能對多個電燈的組合進行分組控制，方便用不同燈光編排組合形式營造出特定的氣氛。智能照明系統(tǒng)中接入各種傳感器對燈光進行自動控制，實現(xiàn)智能調光，燈具的光線自動地由暗逐漸到亮，或由亮逐漸到暗。智能照明系統(tǒng)應用在智能建筑中，不僅能營造出舒適的生活、工作環(huán)境以及現(xiàn)代化的管理方式，而且還具有一定的節(jié)能效果。

從學校大學生的實際情況出發(fā)，不能選擇需要投入大量精力和資金的工業(yè)智能照明裝置的技術路線，必須考慮一年以內(nèi)可以完成并且可以控制成本的解決方案。為此，首先收集了 ?市場上智能照明工業(yè)產(chǎn)品的相關信息。

飛利浦推出的Hue LED智能照明解決方案代表了較為先進的技術水平，支持1600萬種顏色變化以及開放式的開發(fā)接口和社區(qū)支持，使用高速32位STM方案并支持TI2530 Zigbee，操控軟件上對接IOS蘋果APP或者Android系統(tǒng)，但是其高昂的成本和售價也阻礙了產(chǎn)品的大規(guī)模推廣。美國售價199美元起，包括一組3個LED燈加連接到路由器的Bridge設備，每額外添加一個LED燈的價格是59美元，額外添加一個Bridge設備的價格是50美元。整套系統(tǒng)在歐洲和英國的價格更為昂貴。在上海正式向中國市場發(fā)布時，初始套裝售價1689元起。以上的價格均不包括家用路由器成本、手機端的軟硬件成本。這樣，項目組從盡可能降低成本的角度切入，參考Hue LED的產(chǎn)品方案來進行創(chuàng)新項目的設計。

Arduino是目前較為流行的電子互動平臺，基于單片機系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應用于電子系統(tǒng)設計和互動產(chǎn)品開發(fā)方面。Arduino接口眾多，各種配件較為齊全，開發(fā)調試和部署都非常方便，已經(jīng)出現(xiàn)非常多地使用arduino來作為智能家居開發(fā)基礎設備的應用。本智能照明系統(tǒng)以極低成本方式實現(xiàn)部分Hue系統(tǒng)的智能照明功能，采用arduino單片機接受溫度和超聲波等傳感器所測量的數(shù)據(jù)，根據(jù)環(huán)境的溫度或物體的距離來實現(xiàn)燈光的自動調節(jié)。

2 創(chuàng)新項目的具體設計和實施

在創(chuàng)新項目的立項階段，需要創(chuàng)新項目組成員的共同努力。這個階段，項目組成員的知識面、技能基礎和技術眼光，往往在很大程度上決定了項目后續(xù)實施的順利程度。這個階段，對項目組成員的要求是能把握住整個項目的整體方向和技術路線，充分收集相關的技術資料和文獻，思考問題，解決問題，提高自身的創(chuàng)新能力和實踐能力。

在大量閱讀相關文獻后，創(chuàng)新項目組確定了智能家居照明裝置的硬件設計方案。智能家居照明系統(tǒng)包括燈光模塊、核心模塊和檢測模塊。燈光模塊為Arduino Mega單片機所連接的全彩LED模塊;核心模塊為Arduino Mega單片機;檢測模塊由溫度傳感器、超聲波傳感器、熱釋電人體紅外線傳感器共同組成。項目基于arduino單片機，連接溫度、超聲波等傳感器，分別采集環(huán)境溫度、物體距離等數(shù)據(jù)，通過PWM信號輸出控制全彩LED的R、G、B三原色。

硬件方案定型之后，項目組成員對智能家居照明裝置進行創(chuàng)新創(chuàng)意設計，根據(jù)前期的軟件基礎和準備進行軟件功能的設計，這時候培養(yǎng)了學生將創(chuàng)新思想落實到具體產(chǎn)品中并加以設計實現(xiàn)的能力。經(jīng)過項目組團隊的充分討論，決定該項目的產(chǎn)品功能設計大致如下：系統(tǒng)中arduino功能設計為4層，模版配色功能及智能感知功能。

第一層次為簡單實現(xiàn)Hue系統(tǒng)的主要功能，即提供幾種固定的智能燈光配置，設想以2個LED燈泡為例，arduino以預設的調色方案去控制2個LED燈泡，比如家庭閱讀方案（亮黃、亮白組合）或者夜燈方案（弱白色為主）。配置操控界面可以在Android手機上開發(fā)實現(xiàn)。Arduino板卡和Android手機通過藍牙或者WiFi進行通訊。這一功能的設計主要還是立足于模仿飛利浦的Hue系統(tǒng)功能，側重點在于以極低成本實現(xiàn)智能照明的基本功能，從這個層面上說，學生們提出的如果能以低成本實現(xiàn)主流功能，其實也是某種意義上的技術創(chuàng)新。

第二層次，在arduino上加裝溫度傳感器，如DHT11溫度傳感器，實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境的溫度來自動開關燈或者自動調節(jié)燈的亮度。溫度高時，可以開啟冷光燈來補充光源，溫度低時，可以開啟熱光燈來補充電源。

第三層次，在arduino上加裝超聲波傳感器，初定為US-100帶溫度補償?shù)某暡K，可以同時測距測溫。這樣可以實現(xiàn)arduino對人體的自動感知功能，該功能設計為夜間探測到人體后自動亮燈，并且隨著人體的走近逐步自動加亮LED燈，待夜間行動人體逐漸遠離之時，arduino又會自動逐步減弱LED發(fā)光強度直至滅燈。

第四層次，在arduino上加裝熱釋電紅外傳感器，通過熱釋電紅外傳感器采集室內(nèi)是否有人等信息送到arduino，arduino根據(jù)這些信息對照明設備進行開關操作，從而實現(xiàn)照明控制，以達到節(jié)能的目的。

在這個功能的設計中，項目團隊的創(chuàng)新意識得到了充分發(fā)揮。大家仔細研究了市面上的智能照明產(chǎn)品之后，認為現(xiàn)有的很多產(chǎn)品功能比較復雜，比較注重細分人群的需求，如加入光照和音樂的配合因素、加入手勢對配色的影響、實現(xiàn)遠程配置照明等。對于一個低成本的智能照明裝置，可以考慮夜間人起夜時的自動照明需求，從這個常見的需求出發(fā)，設計出產(chǎn)品的自明、靜音功能，然后很自然地進一步設計出人體探測、無級變光、智能節(jié)電功能。

在整個項目的實施過程中，指導老師比較注重有意識培養(yǎng)學生的團隊意識、領導能力和合作精神。在設計過程中，項目組團隊需要合理安排計劃進度、人力分配，各個成員的分工配合，不同技術方向上的知識準備和攻關。這里涉及到很多知識，比如arduino的開發(fā)、傳感器的原理研究等，對于還在學習基礎知識的大學生來說，也是一個很好的學習機會。

作為一個創(chuàng)新項目，除了做出成型的樣機，還有一定的學術要求，本項目還具體要求發(fā)表論文、專利申請和軟件著作權申請。論文的撰寫、專利申請和軟件著作權的申請，對學生而言，也是很好的鍛煉機會。整個過程中，基本做到了緊張有序，每個人都得到了充分鍛煉。

3 總結

本智能照明裝置創(chuàng)新項目涉及到arduino開發(fā)、LED燈光配置、傳感器原理等知識和技能，在功能上初步實現(xiàn)了Hue系統(tǒng)的設想，并且在智能感知調光功能上有所創(chuàng)新，成本極為低廉，是一次非常好的創(chuàng)新實踐機會?；仡櫿麄€項目，從預研、立項、設計到實施，項目組成員廣泛閱讀了大量的技術資料，成功完成了智能照明裝置樣機的接線、編程和調試，并完成了論文的撰寫和專利、軟件著作權的申請，極大地鍛煉了學生的動手能力和科研能力，項目組團隊的創(chuàng)新意識得到了充分發(fā)揮。本次創(chuàng)新項目實踐中，還可以進一步加大產(chǎn)品的市場實踐環(huán)節(jié)。可以考慮讓學生去做一定的產(chǎn)品市場調查、產(chǎn)品市場推介或者聯(lián)系行業(yè)內(nèi)廠家的工作，可以更好地體會創(chuàng)新產(chǎn)品的成果轉化過程和難度。

參考文獻

[1] 蔣盛益，姜靈敏.大學生創(chuàng)新平臺建設的思考與實踐[M].廣東外語外貿(mào)大學學報，2010.21（3）：99-102.

[2] 吳鳳嬌，把多鐸，許景輝等.高校大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的審視與思考[M].中國電力教育，2013（25）.

[3] 榮學娟，牛萍娟，徐秀知，李曉霞.室內(nèi)照明的智能控制系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶，2009（4）.

[4] 沈瑞珠.智能照明系統(tǒng)在智能建筑中的應用[J].電器與能效管理技術，2002.