汪　為，楊　濤，田寶森，熊　艷

(長(zhǎng)江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州434023)

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多功能白光LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

汪為，楊濤，田寶森，熊艷

(長(zhǎng)江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州434023)

從照明人性化、個(gè)性化及智能化的需求入手，提出了集合光控、紅外感應(yīng)、實(shí)時(shí)信息監(jiān)控、照度分級(jí)于一體的基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能白光LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)合紅外傳感模塊、光敏傳感模塊、ZigBee無(wú)線傳輸單元等對(duì)燈光系統(tǒng)進(jìn)行多路控制以實(shí)現(xiàn)白光LED的亮度分級(jí)，同時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境的溫濕度以及氣體是否異常進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了兼具聲控、外部照度分級(jí)光控、紅外感應(yīng)控制、紅外遙控調(diào)光、物聯(lián)網(wǎng)控制且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息的多功能白光LED智能照明系統(tǒng)。

智能照明；分級(jí)調(diào)控；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee

0　引言

隨著一系列先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重?cái)?shù)字化家居的實(shí)現(xiàn)。智能化照明技術(shù)能大大促進(jìn)數(shù)字化家居的發(fā)展，且能進(jìn)一步融合個(gè)性需求，優(yōu)化照明環(huán)境，與此同時(shí)，智能照明技術(shù)不僅操作簡(jiǎn)單，而且更加便于管理，有利于更好地節(jié)省人力、財(cái)力資源。LED智能照明系統(tǒng)因其節(jié)能、環(huán)保、自動(dòng)化的特點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1]。目前，大多數(shù)LED智能照明系統(tǒng)的控制采用聲控、光控、聲光控為主，但燈具的亮度為一恒定值，在一定程度上造成了能源的浪費(fèi)，同時(shí)減少了燈具的使用壽命[2]。本文從照明人性化、個(gè)性化及智能化的需求入手，提出了集合光控、紅外感應(yīng)、實(shí)時(shí)信息監(jiān)控、照度分級(jí)于一體并基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能白光LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)合紅外傳感模塊、光敏傳感模塊、ZigBee無(wú)線傳輸單元等對(duì)燈光系統(tǒng)進(jìn)行多路控制以實(shí)現(xiàn)白光LED的亮度分級(jí)，同時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境的溫濕度以及氣體是否異常進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲得了兼具聲控、外部照度分級(jí)光控、紅外感應(yīng)控制、紅外遙控調(diào)光、物聯(lián)網(wǎng)控制且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息的多功能白光LED智能照明系統(tǒng)。

1　總體設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由紅外感應(yīng)器、光敏傳感器、控制器[3]、照明裝置、電源裝置、物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)[4-5]、用戶(hù)終端[6]、溫濕度傳感器和氣體傳感器組成。紅外感應(yīng)器、光敏傳感器、電源裝置的輸出端分別與控制器的輸入端連接，控制器的輸出端與照明裝置的輸入端連接。該系統(tǒng)由各個(gè)傳感器接收信號(hào)并由控制器進(jìn)行處理，可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)對(duì)燈具及周?chē)h(huán)境的信息進(jìn)行監(jiān)控。紅外感應(yīng)器用于采集外界的紅外線強(qiáng)度并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器；光敏傳感器用于采集外界的光照強(qiáng)度并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器；控制器用于對(duì)接收的紅外線強(qiáng)度及光照強(qiáng)度進(jìn)行分析并控制所述照明裝置的開(kāi)關(guān)及光照強(qiáng)度；電源裝置用于給整個(gè)裝置提供輸出電壓，物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)主要是將燈具的工作狀態(tài)以及外部環(huán)境的溫濕度和氣體是否異常傳到用戶(hù)終端，用戶(hù)終端將信息顯示出來(lái)便于人們對(duì)燈具進(jìn)行控制。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

(1)當(dāng)使用者進(jìn)入紅外感應(yīng)的范圍時(shí)，若監(jiān)測(cè)環(huán)境照度小于預(yù)設(shè)照度，此時(shí)，燈具就會(huì)進(jìn)行照度補(bǔ)償，使環(huán)境照度達(dá)到預(yù)設(shè)值；若此時(shí)的環(huán)境照度大于或等于燈具的預(yù)設(shè)值，則燈具不亮。

圖2　燈具驅(qū)動(dòng)電路圖

(2)可以通過(guò)電腦連接ZigBee中心節(jié)點(diǎn)或用手機(jī)連接WiFi對(duì)燈具的運(yùn)行情況和環(huán)境的溫濕度以及周?chē)鷼怏w是否異常進(jìn)行監(jiān)控。

(3)可根據(jù)用戶(hù)需要用紅外遙控器對(duì)預(yù)設(shè)照度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2　智能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1光敏傳感模塊的設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段來(lái)看，大多數(shù)測(cè)光系統(tǒng)的光強(qiáng)采集原件為光電池或光電三極管，其中包括信號(hào)放大電路、AD轉(zhuǎn)換等，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度較高。而高級(jí)的測(cè)光系統(tǒng)更需要多檔放大電路實(shí)現(xiàn)大量程測(cè)光，這些電路增加了系統(tǒng)的能耗和靈活度，且易受到非可見(jiàn)光的干擾。

本設(shè)計(jì)采用單片測(cè)光芯片BH1750作為光敏傳感器，測(cè)量范圍為1～65 536 lx,完全滿(mǎn)足一般環(huán)境下的量程范圍的照度。它是具有優(yōu)良光譜靈敏度特性、16 bit串行輸出的單片數(shù)字照度傳感器。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要通過(guò)I2C(Inter Integrated Circuit )通信接口讀取BH1750采集到的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用戶(hù)要求的形式將數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上呈現(xiàn)出來(lái)。

另外，BH1750芯片只需3個(gè)I/O口就可以與單片機(jī)進(jìn)行通信，極大地減少了單片機(jī)上I/O口的使用數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，且測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.2紅外遙控調(diào)光的設(shè)計(jì)

紅外遙控調(diào)光是該智能照明系統(tǒng)重要的功能之一，在遙控信號(hào)發(fā)射部分采用38 kHz的信號(hào)作為載波對(duì)各個(gè)按鍵按下所產(chǎn)生的信號(hào)調(diào)制后進(jìn)行發(fā)射，通過(guò)紅外接收管接收之后將信號(hào)傳遞給單片機(jī)處理，從而達(dá)到調(diào)光的目的。如圖1所示，可通過(guò)紅外遙控器手動(dòng)設(shè)定照明裝置的照度值，控制器根據(jù)設(shè)定的光照強(qiáng)度值與環(huán)境照度值的差異調(diào)節(jié)輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明裝置照度的控制。紅外遙控調(diào)光方式分為兩種，一種是利用紅外遙控器自行設(shè)定照度值，另一種分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)，粗調(diào)是每按一下按鍵照度值加減50 lx，細(xì)調(diào)是每按一下按鍵照度值加減1 lx，這樣的調(diào)光方式，方便了用戶(hù)對(duì)周?chē)h(huán)境亮度的控制，增強(qiáng)了用戶(hù)體驗(yàn)。

2.3燈具驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

燈具驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。其主要利用PCF8591芯片通過(guò)集成電路總線I2C(Inter Integrated Circuit )通信接口讀取單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)(0～255)并轉(zhuǎn)化為模擬電壓，再將電壓進(jìn)行放大后作用于燈具，從而達(dá)到調(diào)光的目的。

2.4物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)及用戶(hù)終端的建立

本照度分級(jí)的智能照明系統(tǒng)主要采用Socket通信協(xié)議。如圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖所示，物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)7包括物聯(lián)網(wǎng)終端71和物聯(lián)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)72，物聯(lián)網(wǎng)終端與物聯(lián)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)無(wú)線連接，電腦通過(guò)串口與物聯(lián)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)連接，該中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送電磁波控制物聯(lián)網(wǎng)終端，從而監(jiān)控照明裝置的運(yùn)行情況和測(cè)試環(huán)境氣體是否異常，另外，手機(jī)客戶(hù)端也可以通過(guò)WiFi與物聯(lián)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程連接來(lái)控制燈具的運(yùn)行情況和監(jiān)測(cè)環(huán)境氣體是否異常。如圖3所示為電腦和手機(jī)上無(wú)線管理系統(tǒng)圖中電腦和手機(jī)的界面顯示。

圖3　電腦和手機(jī)上無(wú)線管理系統(tǒng)圖

3　智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1照度分級(jí)的設(shè)計(jì)

本智能照明系統(tǒng)主要采用C#語(yǔ)言編程[7]，通過(guò)控制單片機(jī)上串口的高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的控制，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。首先，在單片機(jī)初始化的過(guò)程中將會(huì)讀取預(yù)設(shè)的照度值，然后通過(guò)光敏傳感器檢測(cè)環(huán)境的亮度是否比預(yù)設(shè)照度小，只有在環(huán)境照度低于預(yù)設(shè)值且有紅外感應(yīng)的情況下，LED燈具才發(fā)光，進(jìn)行照度補(bǔ)償，從而使環(huán)境照度達(dá)到預(yù)設(shè)值，達(dá)到調(diào)光的目的。另外，此系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶(hù)需要來(lái)設(shè)定光照強(qiáng)度。

圖4　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程圖

3.2環(huán)境氣體監(jiān)控

環(huán)境氣體的監(jiān)控包括以下步驟：傳感器感應(yīng)環(huán)境氣體，判斷感應(yīng)到的氣體是否異常，若感應(yīng)到的氣體異常，則判斷異常是否超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間，若異常超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間，則輸出異常信號(hào)至手機(jī)或電腦客戶(hù)端，異常報(bào)警，然后判斷異常是否處理完畢，若異常處理完畢，則解除報(bào)警。該環(huán)境監(jiān)控主要是應(yīng)對(duì)現(xiàn)行大樓可能發(fā)生的突發(fā)事件而設(shè)計(jì)，具有及時(shí)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

4　結(jié)論

該多功能LED智能照明系統(tǒng)通過(guò)紅外感應(yīng)器及光敏傳感器采集外界的紅外感應(yīng)信號(hào)及照度信號(hào)，控制器通過(guò)以上采集信號(hào)對(duì)應(yīng)的不同輸出電壓控制照明裝置的光照強(qiáng)度，根據(jù)是否有紅外感應(yīng)及外界的光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)照度的分級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)控，并且通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)LED燈具的狀態(tài)、環(huán)境的溫濕度以及氣體是否異常進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地減少了系統(tǒng)能耗，提高了照明裝置的使用壽命，在家居、餐廳、酒店、公共設(shè)施等場(chǎng)所均具有較廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 南忠良,孫國(guó)新.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程, 2010,18(7):117-119.

[2] 劉衛(wèi)國(guó).建筑智能照明控制系統(tǒng)的分析與應(yīng)用[J].新材料新裝飾，2014(7)：59.

[3] 胡乾斌,李光斌,李玲，等.單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2004.

[4] 陸洋.智能家居中的業(yè)務(wù)及關(guān)鍵技術(shù)[J].電信技術(shù),2010(5):45-47.

[5] 王敏，武陽(yáng)，王寧，等.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015(S1)：110-114.

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[7] 振杰.C++程序設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2005.

Design of intelligent multifunctional LED lighting system

Wang Wei, Yang Tao, Tian Baosen, Xiong Yan

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

To satisfy lighting humanization, personalized and intelligent demand, this paper puts forward a design scheme which set light control, infrared sensors, real-time monitoring, information classification and illumination in an IoT based multifunctional white LED intelligent lighting system. The scheme combines infrared sensing module, photosensitive sensor module, ZigBee and so on to control the lighting system in order to realize the brightness classification of white LED. At the same time, temperature and humidity of the surrounding environment and real-time monitoring of the abnormal gas is obtained, as well as sound and light control, external illumination grading control, infrared remote control infrared dimming, networking control and real-time monitoring of the environment information.

intelligent lighting; hierarchical regulation; Internet of Things; ZigBee

湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(104892014036)

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.15.029

2016-04-14)

汪為(1994-)，男，在讀本科生，主要研究方向：物理學(xué)。

楊濤(1993-)，男，在讀本科生，主要研究方向：光電信息。

熊艷 (1980-) ，通信作者,女，博士，副教授，主要研究方向：半導(dǎo)體光電器件。E-mail: yxiong@yangtzeu.edu.cn。

引用格式：汪為，楊濤，田寶森，等. 多功能白光LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(15)：98-100.