摘 要：針對現(xiàn)存照明設(shè)備無法自行移動的問題，設(shè)計了一種可自行跟隨使用者并能根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)節(jié)亮度的智能移動照明燈。采用模塊化思想，動力系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為主控芯片，由超聲波傳感器測距并根據(jù)返回值判斷小車與使用者的距離，而后控制小車實現(xiàn)跟隨功能；照明系統(tǒng)采用Arduino單片機控制光敏電阻傳感器檢測所處環(huán)境的光線強度，通過PWM控制三色LED調(diào)光調(diào)色以適合當前環(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，還具備較好的護眼功能和節(jié)能效果，具有較強的產(chǎn)品化和市場化潛力。

關(guān)鍵詞：自行跟隨；移動照明；STC89C52單片機；傳感器；自適應(yīng)照明；節(jié)能護眼

中圖分類號：TP274+.2；TN98 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

隨著智能化的發(fā)展，健康、舒適、節(jié)能成為人們對現(xiàn)代照明的主要需求方向[1-2]。根據(jù)照明場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ZigBee路由算法實現(xiàn)基于增強現(xiàn)實的LED照明光源調(diào)節(jié)。呂聯(lián)榮等[6]提出了一種基于機器視覺的自動追蹤照明方案，結(jié)合顏色追蹤算法實現(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)路面實時平均亮度反饋和分時段平均車流量統(tǒng)計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BIM輔助優(yōu)化模型并優(yōu)化照明燈源光學參數(shù)，可顯著提升塔機夜間起重作業(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為前提，以致無法隨時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)計一種可跟隨使用者自行移動和隨環(huán)境變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且價格適中的智能照明燈是必要的且有價值的。

本文提出了一種基于超聲傳感的自行移動智能照明系統(tǒng)，系統(tǒng)包含動力模塊和照明模塊。動力系統(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)實現(xiàn)了自動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)進一步改良和細化后將具備較強的市場應(yīng)用潛力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

自行移動智能照明燈包括跟隨使用者自行移動的小車和隨環(huán)境自適應(yīng)調(diào)節(jié)亮度的照明燈。為更好地實現(xiàn)獨立控制及為進一步改良和細化做準備，考慮采用模塊化思想對動力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)分別進行設(shè)計。

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

照明系統(tǒng)以單片機作為主控芯片，通過光敏傳感器檢測當前環(huán)境光亮程度并發(fā)送至單片機，單片機根據(jù)環(huán)境光亮程度調(diào)節(jié)LED燈光亮度以適應(yīng)當前環(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

2.1 動力系統(tǒng)設(shè)計

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

程序中未檢測到目標人時循環(huán)檢測，檢測到目標人后電機控制小車按規(guī)劃距離進行跟隨。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。當距離小于15 cm時，小車后退并循環(huán)檢測直至間距達到15 cm后停止；當距離大于30 cm時，小車前進并循環(huán)檢測至間距達到30 cm時停止；當首次檢測距離大于15 cm且小于30 cm時，小車靜止直至距離達到30 cm后跟隨。當檢測到多個目標人時，以距離最近者作為目標，并保持跟隨直至收到按鍵信號或系統(tǒng)關(guān)機。

2.2 照明系統(tǒng)設(shè)計

動力系統(tǒng)采用Arduino UNO R3單片機作為控制單元，光敏電阻傳感器檢測所處環(huán)境的光線強度，通過RGB三色LED調(diào)光調(diào)色，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)光護眼功能。程序運行流程如圖4所示。

自動調(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)占空比的方式實現(xiàn)三色混合光，可以連續(xù)動態(tài)地模擬出不同色溫的太陽光，從而實現(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、藍色的占空比；YR、YG、YB分別為光源紅色、綠色、藍色滿電流工作下的刺激值；Ym為混合光源刺激值[14]。通過計算可獲得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，再經(jīng)均衡和驅(qū)動電路處理后加載到LED燈。

2.3 電源低壓報警

動力和照明模塊采用同一個3.7 V可充電鋰電池供電，電壓過低時將影響系統(tǒng)正常工作。低壓報警電路如圖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)滑動變阻器將VCC設(shè)置成報警電壓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導通，蜂鳴器報警；當VCC電壓高于1.4 V時，T1導通、T2截止，蜂鳴器關(guān)閉，也可通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來調(diào)整低壓電壓報警閾值。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及測試

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

30 cm后，小車前進跟隨。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，始終保持移動跟隨，系統(tǒng)運行效果良好。

照明測試在可調(diào)節(jié)燈光環(huán)境下進行，由全亮環(huán)境開始不斷降低環(huán)境亮度至全暗，移動智能照明燈分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，系統(tǒng)可滿足護眼照明要求。

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，基于超聲傳感與光敏傳感技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了一種同時具備自行跟隨與亮度自調(diào)節(jié)功能的移動智能照明燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)在為使用者提供跟隨照明的同時，能夠較好地實現(xiàn)護眼功能；此外，該照明燈與使用者距離較近，因此對照明要求相對降低，具有節(jié)能效果。

在系統(tǒng)功能方面，仍有許多內(nèi)容值得進一步細化與探究。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，更好地實現(xiàn)護眼照明效果；其次，在設(shè)計器件封裝方面，可考慮根據(jù)應(yīng)用場景進行芯片集成和封裝。例如室內(nèi)照明、夜間行走、戶外作業(yè)等情形下可根據(jù)實際需求選取不同芯片進行設(shè)計封裝，則系統(tǒng)的實用性將進一步提高；再次，由于室內(nèi)樓梯、室外凹凸不平路面對小車跟隨功能影響較大，如結(jié)合無人機技術(shù)研制低成本的智能飛行跟隨照明燈，將有更大的實際需求和應(yīng)用

價值。

注：本文通訊作者為姜愉。

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