智能檢測感應燈的研發

張敏 崔祥霞 劉格

摘 要：針對目前國內的智能感應燈還處于手動控制階段，本文提出了一種基于WiFi和Arduino單片機的智能檢測感應燈。該方案以Arduino單片機作為核心控制器件，使用紅外傳感器和光敏電阻實現自定義不同燈控模式，智能感應以及遠程控制。

關鍵詞：Arduino單片機;WiFi;智能照明;傳感器

目前國內的智能家居市場還處于起步階段，相比其他概念型的智能家居產品，人體感應智能燈顯然要實用的多。與歐美等發達國家相比，我國的比較先進的智能燈光控制系統僅僅實現了紅外遙控控制，并且大都還處于手動開光控制單個光源亮滅階段。在此背景下，本文基于WiFi和Arduino單片機提出一種切實可行的智能感應檢測人體燈設計方案，一款能夠利用紅外線、熱釋電原理感應人體活動信息的新技術、新設計，專門用來檢測和感應人體活動信息的智能感應燈，實現智能調節燈光亮度，隨意切換五種不同工作模式，從而減少能源消耗，提高生活體驗品質。

1.智能感應人體燈設計方案

基于WiFi和Arduino單片機的智能感應檢測人體燈主要實現以下功能：一是采用遠程控制的方式實現控制基本照明;二是可以智能調節燈的亮度，切換五種不同工作模式，五種工作模式及其具體實現的功能情況如下：

1）閱讀模式：智能感應人體燈會根據外界的亮度調節燈光的亮度，使燈光適合人正常工作生活，達到節能目的。

2）自定義亮度：可以根據用戶的需要調節亮度，符合用戶自定義的使用要求。

3）電影模式：調低燈光亮度，營造一個看電影院的觀看環境。

4）夜間路燈模式：通過設備所帶傳感器判斷環境是否過暗，檢測有沒有人在附近，來決定是否需要開燈，實現人在燈亮，人走燈滅功能，實現圍繞人打造的節能環保的目的。

5）音樂模式：為聽音樂渲染一個聽歌環境，計劃根據基本的音樂風格形成相應的燈光變化節奏，實現燈隨音動。

本方案計劃使用內置的光照強度傳感器檢測圖像情況，顯示產品環境周圍的亮度。研發的設備上采用旋鈕的控制方式，可以使本方案開發的燈具設置在傳感器檢測的設置一定亮度值時自動啟動（目前計劃僅在閱讀模式、夜間路燈模式這兩種模式條生效）

因為使用了遠程控制的方式，需要云平臺的控制支持，所以當斷電時，智能燈會無法遠程設置，需要在重新聯網后，進行斷網自動重連接的操作，以便在聯網后完成相關智能操作和數據的傳輸、控制和收集工作。

2.硬件設計

本方案核心操作是解決數據傳輸控制燈的信息轉化問題。使用的通信方式為WiFi，通訊協議采用自定義方式的協議。根據測試開發的難度，數據流數量控制在5個左右，數據格式可以采用ASCII碼的形式，為了更好控制功耗，數據上傳頻率控制在秒級的級別上。

硬件部分主要包含兩部分：一是核心控制部分，主控Arduino Leonardo、HLK-RM04 WiFi模塊、人體紅外感應模塊;二是環境感應部分，光敏電阻、電位器、led燈（紅、綠、黃、白）、供電部分5V/2A、杜邦線和導線等。

2.1核心主控Arduino Leonardo

單片機主要用來控制當傳感器接收到輸出一個高電平脈沖信號或高電平延時信號時傳遞到主控進行相關的燈光控制操作。本設計使用的微控制器核心芯片為ATmega32u4，輸入工作電壓 5V，不能超過7-12V輸入電壓。Flash 32 KB（ATmega32u4）其中4 KB由引導程序使用SRAM 2.5 KB（ATmega32u4）EEPROM 1 KB（ATmega32u4）。時鐘速度16MHz。該開發板有兩個硬件串口，方便連接外部設備調試，而且不會影響到其他使用的串口。與其他類型的單片機相比，Arduino單片機有豐富的系統資源，編程簡單，模塊擴展功能強大，因此具有廣闊的應用前景。

2.2無線傳輸模塊

WiFi模塊與單片機之間通過異步串口通信實現數據接收或發送，該過程是通過WiFi模塊和單片機自身的串口來實現的。目前WiFi模塊主要有兩種，一種是HLK-RM04，另一種是ESP8266。在性能上，HLK-RM04比較穩定，速度也ESP8266快。但是ESP8266更便宜，但穩定差一點，傳輸速度低，實際上也可以滿足本設計的要求，只是鏈接網絡成功性比較低，而且不支持WEB 頁面配置。綜合考慮，本方案選擇HLK-RM04模塊作為無線WiFi數據傳輸模塊。HLK-RM04模塊在使用時，需要進行相關設置，主要有三種設置方法：WEB頁面配置、串口AT指令配置、串口配置。

2.3傳感器模塊

傳感器模塊主要包括光照傳感器和紅外檢測模塊兩部分，主要功能是對室內光照強度和人數做出實時檢測，并將數據傳送至控制單片機，以便單片機做出控制。

光照強度檢測模塊部分由光敏電阻和電位器組成，電位器使精度比較高，使光線測量更準確。光敏電阻檢測到不同光強就會得到不同阻值，從而有不同的電壓值，將電壓信號送給電壓比較器實時檢測室內光照強度。

紅外感應模塊主要用于測量人體紅外波長，之所以使用人體紅外波長模塊是因為該模塊使用起來比較方便，比微波雷達更準確，因為雷達測動的一切動的物體，所以出錯的概率大些。紅外模塊的另一個好處是比較節能，使用電位器可以調節延遲、測量距離，使用起來更方便。

2.4 總體方案

本方案用旋鈕來進行燈光控制，所以要用到自定義的數據格式進行通訊。使用輔助軟件可以幫助開發更快編程和調試，使用該方式調試時，電腦相當于下位機。目前的云平臺支持多種不同的接入協議，很多都是基于TCP/UDP的上層協議，其分別對應的域名、IP地址和端口號都各有不同，可以根據實際開通情況進行設置。

（1）自定義消息格式

消息包括三個部分：必選的消息頭（綠色），可選的多個選項（黃色）以及可選的消息體（藍色）。

（2）功能函數定義

1）void communication（），云平臺上設備建立連接函數定義名稱

2）void datatransm（unsigned char Data，unsigned char cgq1，unsigned char cgq 2），上傳數據到云平臺，變量 Data要傳輸的數據， cgq 1傳感器1要傳輸的數據， cgq 2傳感器2要傳輸的數據。

3）void heart（），心跳檢驗函數，掉線重連接

各種模式調用的函數：

1）float search（），光線檢測，自動調節亮度

2）void beatheart （），心跳，音樂模式

3.軟件設計

3.1程序流程

系統配置初始化成功后等待Wii模塊啟動，WiFi模塊啟動后燈節點開始正式工作;傳感器模塊將檢測到的人數和光照情況傳輸給單片機，單片機將其處理后通過無線網絡傳輸到控制頁面，等待頁面發送指令：若接收到信息，則按照對應指令設置照明燈的狀態，并返回等待下一次命令，若沒有則繼續等待。

4. 結論

本文提出了一種基于Arduino開源設計平臺和WiFi模塊的智能檢測感應燈，本設計的主要特點是：智能燈光提供多模式的選擇方式，可以根據用戶自己的選擇進行模式切換，也可以根據環境變化進行燈光的模式切換。圍繞傳感器收集的檢測外部環境數據，進行智能的燈光控制;將通用的數據格式進行極大的簡化，減少了系統的通信負荷，將很多無用的功能性的數據格式去除，提高了系統的效率，降低了編程的復雜度。

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支持項目：

國家級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：201710453152.

教育部-百科榮創產學合作協同育人，項目編號：201702091011.