基于Arduino的智能照明設計

劉熙昌 孔祥營 孫景明 單麗媛 陳劍雪

摘 要 Arduino是一款電子互動產品開發的軟硬件平臺。以Arduino單片機為基礎配置超聲波傳感器和溫度傳感器搭建智能照明系統，實現家用LED燈可以根據人體距離燈的遠近而自動調節燈光的亮度，并可根據環境的溫度調節光的色彩。在日常家居生活中，此類智能照明系統既能使人們的生活更加舒適也可以有效地實現照明節能。

關鍵詞 Arduino單片機 智能照明 照明節能

中圖分類號：TU113.6 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.02.065

Design of the Intelligent Illumination System based on Arduino

LIU Xichang， KONG Xiangying， SUN Jingming， SHAN Liyuan， CHEN Jianxue

（College of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）

Abstract Arduino is a popular electronic interactive platform at present. Intelligent Illumination System is designed based on Arduino single chip， ultrasonic sensor and temperature sensor. Brightness of the LED lamp can be adjusted automatically according to the human body distance to the lamp， and also the environment temperature can tune the color of light accordingly. In the daily life， such intelligent illumination system can make people's life more comfortable and achieve the ilumination energy saving.

Key words Arduino single chip; intelligent illumination; illumination energy saving

0 引言

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創意越來越受到重視。智能照明就是其中一個應用價值比較大的切入點。而目前如飛利浦等智能照明成本過高，其高昂的成本和售價阻礙了產品的大規模推廣。同時，現代生活節奏快，壓力大，所以家居照明的調節情緒緩解壓力的作用也可以作為打開市場的試金石。

而Arduino是目前較為流行的一款電子互動產品開發平臺，此平臺由硬件和軟件兩部分組成，軟硬件都是開源的，任何人都可以在Arduino官方網站上獲取最新的PCB設計。在軟件方面，Arduino有自己的IDE軟件開發環境，采用類C++的高級開發語言，且有大量的庫函數支持，大大簡化了程序開發工作。鑒于 Arduino開發平臺的諸多優點，本文基于Arduino單片機，以極低成本方式實現類似或者部分Hue系統的智能照明功能。甚至在某些特別功能設計的創新上，期望能夠不同于目前的Hue系統。

1 方案設計

本智能照明系統中arduino功能擬設計為2層，模版配色功能及智能感知功能。

第一層次為簡單實現Hue系統的主要功能，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）。

第二層次，在arduino上加裝超聲波傳感器，初定為US-100帶溫度補償的超聲波模塊，可以同時測距測溫。這樣可以實現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LED燈時，arduino又會自動逐步減弱LED發光強度直至滅燈。

圖1 LED燈和超聲波傳感器連接示意圖

圖2 智能照明系統接線圖

在實現中，利用到了Arduino PWM來調節LED亮度。脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法，由于計算機不能輸出模擬電壓，只能輸出0V或5V的數字電壓值，可以通過使用高分辨率計數器，利用方波的占空比被調制的方法來對一個（下轉第152頁）（上接第132頁）具體的模擬信號的電平進行編碼。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。輸出的電壓值是通過通和斷的時間進行計算的。

在智能照明系統的實現過程中，涉及到arduino開發、LED燈光配置、超聲波探測開發，Arduino PWM 等知識和技能，在功能上初步實現了Hue系統的設想，并且在智能感知調光功能上有所創新（智能化、節能化），比目前的家庭燈光系統功能大為拓展，且成本極為低廉。

2 實驗過程

以C語言為基礎，通過查閱文獻進一步學習Ardunio 語言，在老師的幫助和小組成員的不懈努力下，項目成員對Arduino語言進行不斷的練習，并逐漸掌握了Arduino程序的編寫。

（1）調試一個簡單的程序使得LED燈正常發光。（2）在單片機上加一個超聲波測距模塊，將預調試成功的程序燒入單片機后，進行測試。起初燈光只可以根據人體的靠近而進行亮滅并不能漸變色彩，在大家細心地觀察分析下，發現其原因，進行重新實驗，從而實現了預設想，LED燈可以根據人體的靠近而變亮，且燈光逐漸增強，并隨人體的遠離而熄滅。（3）在超聲波調控的基礎上，又在arduino上加裝紅外傳感器，初定為D-SUN的人體熱釋電紅外傳感器，通過紅外感測運動人體的存在。當感知到運動物體的存在時，相應的指示燈就會變亮。可以在不同的位置安裝多個紅外傳感器，通過觀察相應指示燈，就可以知道運動物體的位置。紅外傳感器是我們整個實驗中基本來說最難的一部分，很多地方都是經過大量的調試，查閱許多的資料后才弄清楚到底是怎么一回事。在不斷的編程調試運行、檢驗后，最終將智能照明系統制作出來。

在經過4個月的學習研究后，創新項目取得了一些成果，初步完成基于Arduino單片機的智能照明系統。作為進入大學首次接觸電子創新項目的大學生來說，這既是一次學習生活的經歷，又是我們在創新科研道路上的一次飛躍。

在起初的材料搜集整理中，由于大家對這方面的知識不是特別熟悉，不免出現精力不集中甚至煩躁的情緒，但是大家彼此鼓勵一步步克服困難走了下來。在這次創新項目中，項目成員有著明確的分工，硬件安裝、查閱資料、軟件的開發與調試。大家各司其職，不斷地去探索去克服自己所面對的困難，由此也深刻體會到了做實際產品不容易的道理，并且也發現團隊合作是那么的重要，團隊精神是創新的強大保障。

3 結語

基于Arduino單片機的智能照明系統可以根據人體距離設備的遠近進行燈的開啟、熄滅和調節光的強度，而且根據周圍環境溫度的變化燈光變換不同的顏色。不僅如此，成本較為低廉的Arduino主板可以代替Hue系統的功能，更加適宜走進千家萬戶，具有很大的潛在商業價值。同時，所有參與者在整個創新項目實施過程中，積極參與，在查閱文獻、進行調研后，不斷和指導教師溝通，進行系統的接線和編程調試。在經過創新項目的鍛煉后，我們自身的綜合素質得到了很大的提高，實驗動手能力、解決問題的能力都有了很大的提高，團隊協作能力明顯提高。同時，創新項目能夠尊重我們個性發展和興趣取向，因材施教，調動我們自身學習的主動性、積極性和創造性，切實提高參與者的實踐創新能力，符合全社會對教育部門人才培養的迫切要求，創新項目有助于提高高校畢業生的競爭力，為企業輸送更多優秀的人才。

參考文獻

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