徐耀輝XU Yao-hui；余靈玲YU Ling-ling；王丹WANG Dan；章曉敏ZHANG Xiao-min

（寧波財經(jīng)學(xué)院數(shù)字技術(shù)與工程學(xué)院，寧波315175）

1 研究內(nèi)容

智能燈光控制系統(tǒng)通常應(yīng)用于學(xué)校中，當(dāng)今許多學(xué)校中的教室因電路老化只能用比較傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)：設(shè)定一個總電源，將其分流到多個支路，每個教室配備一個總的變電箱，然后支路再向不同的燈提供電，然后用按鈕來控制燈具的開關(guān)，無法實現(xiàn)比較人性化多功能的管理方式。

因此，本系統(tǒng)主要研究的是基于Arduino 的智能燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。通過對用戶需求的分析，選取合適的硬件搭建了整個硬件系統(tǒng)。并通過對系統(tǒng)各個模塊合理地編程設(shè)計，最終實現(xiàn)集檢測溫度、光照、是否有人經(jīng)過、定時開關(guān)以及移動端的檢測。當(dāng)有人經(jīng)過并且光照強(qiáng)度較弱的時候燈光會自動開啟，當(dāng)無人時燈光會關(guān)閉，到了固定的時間燈光會自動開啟并且到達(dá)指定的時間自動關(guān)閉。若溫度高于指定高度時，移動端會自動撥號給火警。本系統(tǒng)研究的主要功能如下：①采用熱釋電紅外傳感器和定時程序以及光照檢測來完成節(jié)能功能，光照低于設(shè)定值并且有人時會開燈，到達(dá)指定時間會開燈。②由LED 燈、蜂鳴器和等器件來構(gòu)成報警電路，在發(fā)生險情之時完成聲光警報。③選用藍(lán)牙模塊將硬件跟移動端相連接，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及報警的各種操作。④軟件部分則是包括定時、中斷、串口通信、聲光報警、溫度檢測等程序的設(shè)計，以此來實現(xiàn)聲光報警和信息交互。

2 功能規(guī)劃

功能包括自動開關(guān)燈功能、火情報警功能、聲光報警、藍(lán)牙遠(yuǎn)程通信。

2.1 自動開關(guān)功能

通過安裝在外的紅外熱釋電傳感器以及光照傳感器，實時監(jiān)測是否有人經(jīng)過并且檢測光照強(qiáng)度，來實現(xiàn)自動開關(guān)燈，以及定時功能來控制必要的燈光的開啟以及關(guān)閉。

2.2 火情報警功能

利用溫度傳感器，可以監(jiān)測校園中是否會發(fā)生火災(zāi)隱患，并判斷是否報警。

2.3 聲光報警

檢測到險情發(fā)生時，系統(tǒng)將會馬上開啟聲光報警，燈光亮起，警報聲響起，警示到來的險情。

2.4 藍(lán)牙遠(yuǎn)程通信

檢測到險情發(fā)生時，系統(tǒng)會在第一時間給火警的移動設(shè)備撥打電話，便于火警及時作出應(yīng)對。（圖1）

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

主要包括系統(tǒng)總體框和硬件組成兩部分。

3.1 系統(tǒng)總體框

本系統(tǒng)按照功能模塊可劃分為：光照檢測模塊、溫度檢測模塊、熱釋電檢測模塊、藍(lán)牙遠(yuǎn)程通信模塊。智能燈光控制系統(tǒng)總體框圖如圖2 所示。

3.2 硬件組成

智能燈光控制系統(tǒng)主要由Uno 板、HC-SR505 紅外熱釋電傳感器、DS18B20 溫度傳感器、HC-05 藍(lán)牙模塊、光照傳感器、無源蜂鳴器。

3.2.1 Uno 板

Arduino Uno 板是當(dāng)今社會上最為流行的一塊開發(fā)板微處理器：ATmega328，8 位微處理器，片內(nèi)包含32KB Flash（0.5KB 由BootLoader 使用），2KB SRAM，1KB EEPROM，運行時鐘頻率為16MHz。Uno 板上的輸入/輸出：有14 個輸入輸出口，其中，13 號引腳的線路是直接連接在自帶的LED指示燈的，這個燈可做燈泡來試驗程序使用。

圖1 系統(tǒng)用例圖

圖2 整體框架圖

3.2.2 HC-SR505 紅外熱釋電傳感器

HC-SR505 紅外熱釋電傳感器是運用到了紅外線加熱輻射效應(yīng)的一種傳感器。它的工作原理是利用紅外線檢測環(huán)境加熱內(nèi)部晶體隨著環(huán)境的變化產(chǎn)生電效應(yīng)，由于溫度的變化使自傳感器內(nèi)部的電壓發(fā)生了變化導(dǎo)致可以感受到熱量的變化。

3.2.3 DS18B20 溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器測溫以及讀取溫度的原理跟市面上大多數(shù)溫度傳感器操作方法相同，主要特點是讀取的溫度的位數(shù)會因為分辨率的不同而不同，并且檢測溫度的時長由平常的2 秒變?yōu)?50 毫秒。

3.2.4 HC-05 藍(lán)牙模塊

這是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，擁有4 個引腳分別為：接地，電源，RX，TX 引腳。RX 跟TX 引腳分別為輸入輸出引腳，當(dāng)兩個設(shè)備通過藍(lán)牙連接成功之后，RX 跟TX 兩個引腳會被當(dāng)做串口來使用，從而藍(lán)牙內(nèi)部存在的通信協(xié)議也就會被放置一邊，那么數(shù)據(jù)的傳輸就是一個設(shè)備將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到中央處理器中，再由另一個設(shè)備從其中接收數(shù)據(jù)。

3.2.5 光照傳感器

內(nèi)光效應(yīng)是光敏電阻特有的工作方式。它的內(nèi)部電阻會隨著光照強(qiáng)弱來發(fā)生變化，所以一般光敏電阻都是只有兩個引腳，上面加了一塊小的薄片，這樣能夠全方位的檢測光照的強(qiáng)弱，當(dāng)環(huán)境下的光照變強(qiáng)了，內(nèi)部的電阻會變?nèi)?，所以?nèi)部產(chǎn)生的電流會隨之增強(qiáng)，當(dāng)光照強(qiáng)度變?nèi)趿?，則內(nèi)部電流減小來通過電阻的阻值來轉(zhuǎn)換成光照的強(qiáng)度。

3.2.6 無源蜂鳴器

電磁感應(yīng)現(xiàn)象被完美的利用在了無源蜂鳴器上，其工作原理是被音圈接入交變電流后形成的電磁體與內(nèi)部的永磁鐵相互吸引或者排斥來發(fā)聲，接入的直流電只能被用來推動振膜，所以只有在剛接通和斷開的時候會產(chǎn)生聲音。無源蜂鳴器的優(yōu)點在于：制作成本非常低，可以被用在和LED 復(fù)用的一個控制口等方面。

4 功能模塊硬件設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由Python 控制端、人體紅外熱釋電傳感器、溫度傳感器以及HC-05 藍(lán)牙模塊、聲光報警電路所構(gòu)成。下文將會從硬件方面介紹智能燈光控制系統(tǒng)，對硬件原理圖簡潔的描述。

4.1 主機(jī)電路設(shè)計

主機(jī)采用Arduino 來實現(xiàn)。單片機(jī)以及在當(dāng)今社會普及了，隨著集成電路的迅速發(fā)展，單片機(jī)的地位也隨著水漲船高，但是根據(jù)現(xiàn)實以及實際系統(tǒng)的需要和產(chǎn)品的性價比比較，本系統(tǒng)選用了Arduino Uno 板來實現(xiàn)本系統(tǒng)的主電路板。

4.2 藍(lán)牙遠(yuǎn)程通信電路設(shè)計

在本系統(tǒng)中最為重要的還是藍(lán)牙傳輸?shù)碾娐?，HC-05藍(lán)牙模塊因為高效的傳播速率脫穎而出。它與Arduino 之間通過串口連接，也通過藍(lán)牙來傳輸數(shù)據(jù)，Arduino 和藍(lán)牙模塊會對串口緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取和接收做出不一樣的反應(yīng)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸和接收的功能。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 紅外熱釋檢測模塊設(shè)計

紅外熱釋檢測模塊功能概述：本模塊應(yīng)用了HCSR505 紅外熱釋電傳感器來實現(xiàn)模塊的功能，人體檢測模塊的主要功能如表1 所示。

表1 人體檢測模塊功能描述

5.2 溫度檢測模塊設(shè)計

DS18B20 溫度檢測模塊功能概述：本模塊運用了DS18B20 溫度傳感器來實現(xiàn)檢測環(huán)境中溫度的功能，溫度監(jiān)測模塊的主要功能如表2 所示。

表2 DS18B20 溫度檢測模塊功能描述

5.3 HC-05 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計

串口通信功能概述在本模塊的設(shè)計與實現(xiàn)中，需要運用到串口通信來實現(xiàn)部分功能，串口通信所實現(xiàn)的主要功能如表3 所示。

表3 串口通信功能描述

5.4 光敏電阻模塊設(shè)計

光敏電阻檢測模塊功能概述：本模塊運用了光敏電阻來實現(xiàn)光照強(qiáng)度的檢測的功能，光照強(qiáng)度監(jiān)測模塊的主要功能如表4 所示。

表4 光照強(qiáng)度檢測模塊功能描述

5.5 燈光按鈕自主控制設(shè)計

按鈕控制功能概述：本模塊運用了按鈕來實現(xiàn)自主控制的功能，按鈕控制的主要功能如表5 所示。

表5 按鈕自主控制功能描述

5.6 Python 端注冊登錄界面設(shè)計

登錄界面功能概述：在本界面上規(guī)劃了三個功能，賬號密碼登錄功能，注冊賬號功能，人臉識別登錄功能。賬號密碼登錄功能概述如表6 所示。

表6 賬號密碼功能描述

5.7 主界面

主界面功能概述：在本界面上規(guī)劃了兩個功能，串口數(shù)據(jù)傳輸，定時功能。主要功能概述如表7 所示。

表7 主界面功能描述

6 結(jié)語

本次畢設(shè)旨在設(shè)計與實現(xiàn)一款校園智能燈光控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。其中在原有的聲控?zé)艄庵型话l(fā)奇想，添加了人體檢測以及溫度報警檢測以及移動端的檢測，本質(zhì)主要是想節(jié)約人力物力以及可以定時定點的開關(guān)燈，不浪費絲毫能源。

對本系統(tǒng)的展望：本系統(tǒng)的還有待提高比如嫁接在多個燈光的控制上可以實現(xiàn)多燈光控制，可以不用藍(lán)牙傳輸更換成wifi 傳輸讓傳輸?shù)木嚯x可以更遠(yuǎn)一點?？梢栽偬砑右稽c其他的檢測，比如聲控以及人體檢測的強(qiáng)度比如說可以檢測動物以及其他物品，達(dá)到更精準(zhǔn)的檢測。