LED智能燈設計

蔣佳 鄭家城 張健

摘要：自從20世紀70年代以來，隨著人工智能的不斷發展，智能家居的普及，照明系統的發展也逐漸成熟，LED智能照明系統因其使用壽命長，能耗少，效果豐富多彩的特點，使LED智能燈成為世界照明的主流。本設計對LED智能燈的發展和歷史做了研究，重點介紹了LED智能照明系統的架構和核心硬件技術。目前市面上的智能燈并不能滿足廣大用戶的更多需求，現在我們采用了基于藍牙技術開發的智能燈系統，此系統的核心芯片是藍牙芯片，采用藍牙通信技術實現設備終端與LED智能燈的通信。不僅豐富了用戶的使用體驗，而且又完成了智能燈的設計。

關鍵詞：LED;智能;照明;環保;節能

中圖分類號：TU113.6? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0207-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 緒論

近年來，隨著科技的高速發展，照明系統的發展逐漸成熟，人工智能已經遍及生活的方方面面。市場上傳統的功能單一、低自動化水平的LED燈已經不再能滿足人們的需求，人們希望更加能有更加智能的家居生活品。國內智能照明在LED照明領域已火熱多年。然而，在過去幾年，智能照明多是“雷聲大雨點小”，主要體現為，國內智能照明產業尚未形成一定規模、市場接受程度較低、智能照明技術不成熟等問題。到了2019年，這一局面有了很大改觀，智能照明不再“不溫不火”，站在風口的智能照明更顯前景無限，2014年—2017年智能照明規模市發展趨勢如圖1所示。

2 LED智能燈特點

較普通燈LED智能燈優勢：

（1）多變換

LED智能燈光源可利用紅、綠和藍三原色，它可以產生256*256*256（即16777216）種顏色，形成不同光色的組合。LED組合的顏色多種多樣，可實現各種動態變化和各種圖像。

（2）自動化

LED智能照明控制系統是一種自動操作，不需要手動操作，因此在實際應用中，人們不需要關注其開關。照明控制系統可以使用感應或紅外線技術來實現感應操作。這樣不僅能讓燈光隨時為人們服務，還可以在一定程度上節約能源，實現環保和節能。

3 系統設計思路

（1）全開全關和記憶功能

整個照明系統的燈可以完全打開，一個按鈕完全關閉。當你在要睡覺或者是出門之前，可以通過按Full或者Off按鈕關閉所有照明。免除了你跑遍全部房間的煩惱。

（2）定時控制功能

通過個人的時間安排管理模塊，可以對智能燈進行定時的控制功能。例如，在看書的時候將燈光調節到一個合適亮度;在深夜，自動關閉全部的燈光照明。

（3）場景設置

針對固定模式的場景、你不需要一個個開關燈和調光，只需要輸入命令，就能夠一鍵控制一系列燈，這就是場景設置功能。只需輸入一次命令即可實現多組燈光場景的切換;還能夠得到想要的燈光和多種設備連接的場景，如辦公模式、影院模式、餐廳模式等。

（4）手機遙控

其實質就是“輸入設備”，即可視化操作界面。從手機到控制設備，這里還涉及信號傳輸的問題，手機設備可以通過WIFI或者紅外線傳輸信號，所以我們使用的控制設備必須能夠具備至少兩種的無線傳輸方式。

從實際情況方面講，例如智能家居，通過手機或者計算機，可以直接操控燈的開關、顏色搭配，亮度調節等。這里用的便是Wifi或者Bluetooth無線傳輸。當然，還有一個控制器，是隱蔽安裝的。

針對設計的智能硬件，我們需要從三個方面考慮方案：硬件設備、硬件連接和手機控制軟件。

①硬件設備

Arduino是一個界面非常友好的硬件開發工具，即是對硬件一竅不通的軟件開發者，都能夠在Arduino開發板上進行硬件開發。

②硬件連接

硬件連接成功之后，你需要為它設計一個簡單耐用的外殼來密封開發板，電線和LED燈。

開發板上外接的LED燈，工作原理都相差無幾，開發板上有三個引腳，每個引腳連接一個LED燈，需要把這三個引腳都連接到Arduino開發板上。如圖2-1所示。

作為個人開發的智能硬件，它必須是更人性化的產品。開發人員可以模仿3D模型軟件來描繪有用的外形，然后通過打印機將其變為現實，然后將其與我們之前的智能硬件組合在一起。

為了開發外部的Bluetooth模塊，我們選擇了HC-07并將它們連接到Arduino開發板，如圖2所示。

在開發板上設計了一個外部開關按鈕來控制LED智能燈。

控制LED燈開關的功能，就可以將以上硬件連接在一起，通過Bluetooth執行命令。

③手機控制軟件

手機端必須要控制LED智能燈，首先我們要開發一個能安裝在手機端的APP，通過Bluetooth技術控制LED燈，然后啟動APP，查找要連接Bluetoothde 設備，點擊連接;連接完成后，滑動模塊，就能夠控制燈光的亮度。

開關/亮度調節：通過Bluetooth或者Wifi連接手機后，可以根據個人的需要，控制LED燈的亮度和控制他的開關，打造合適的燈光氛圍。

控制和制定顏色：根據手機APP的應用軟件對應的功能，可以根據自己的喜好設定每個LED燈的色彩;也可以使用APP上的吸管工具吸取圖片上的顏色。

定時控制：手機APP上有一個相當于定時鬧鐘的功能，我們可以根據自己的時間安排設置作息時間。

狀態顯示：支持移動APP全局控制，無論您身在何處，打開應用程序，您都可隨時控制LED燈泡的使用。

4 控制硬件的設計

所謂“硬件”，是指計算機的實體部分，它由看得見摸得著的各種電子元器件，各類光、電、機設備的實物組成，如主機、外部設備等[8]。

選擇Arduino MEXA、HC-07Bluetooth模塊，LED燈模塊和引腳開關按鈕以后，我們就需要把它們連接在一起并使用他們。

由于同一開發板需要連接多個外部硬件，因此需要Arduino擴展板了。

Arduino支持多種擴展板，其中有一種可用于將引腳按引腳電源VCC接地GND的順序放入Arduino板。一組組的連接便于開發人員即插即用。這樣開發板就能夠解決VCC接口不夠用的情況。如圖3所示。

將Arduino開發板和擴展板連接好之后，引腳就被擴展出來了。如圖4所示。

5 系統軟件的設計

接下來設置在手機上如何控制LED燈。

（1）界面設計

智能燈不同于傳統燈具，而是智能設備的一種，除了智能燈體，還有一個手持智能控制設備，本設備具備計算能力和網絡聯接能力，通過應用程序，功能可以不斷擴展[13]。界面設計屬于系統軟件的一部分，系統軟件又稱系統程序，主要用來管理整個計算機系統，監視服務，使系統資源得到合理調度，高效運行[8]。

首先，我們選擇用Android Studio新建一個安卓應用工程，把Bluetooth聊天應用復制過去，刪除相關的代碼，然后在這個代碼上進行修改。只需要按照下面的步驟做即可，如圖5所示。

③ 給Seekbar添加監聽器，當用戶滑動小滑塊時，監聽器可以根據小滑塊當前的位置，來發送數據給LED燈。在發送之前請確保手機已連接到LED發送命令。

現在，一個可以控制LED燈的手機控制應用程序已經完成。如圖5所示。

6 實驗結果及分析

這項設計的主要目的是設計和開發一種LED燈系統，為更環保的人們服務。LED照明技術的發展和應用引起了國內外光源產業的廣泛關注，現已成為具有發展前景和影響的高技術產業[4]。

該項目不同于傳統的照明燈系列，更重要的是，它是一個獨立的設備，提供了一個高效的能源管理方案，確保有效的維護和減少由于照明控制故障造成的能源浪費。此外，它的制造和維護成本也比市面上的同類產品要低得多。該項目的一個重要特點是，它可以根據一天中的特定時間自動控制LED燈的亮度，尤其是在不需要全亮度照明的情況下，從而降低功耗。它可以根據定時系統自動激活和關閉照明，達到最高的效率。它是一種更便宜、更環保的選擇。它還提供了一種成本效益高的方法來管理各種應用的照明系統。在使用時打破了傳統照明開關的限制，或者通過連接Wifi，Bluetooth等多種方式打開LED智能燈，為消費者提供了更便捷、更人性化的服務。本設計采用的硬件主要是Arduino開發板和通用型單片機。通用型單片機具有比較豐富的內部資源，性能全而且適應性強，可滿足多種應用需求。

智能LED燈就設計完了。雖然這只是一個非常實用的智能燈硬件原型，但您可以根據自己的經驗為您的體驗添加更多有用的功能。例如，添加紅色，綠色，和藍色燈泡，使LED燈更加豐富多彩;同時增加了移動終端控制軟件的功能，并設置了不同的場景，使LED燈能可以在不同的場景中改變不同的光色和亮度。用積木拼出更多形狀有特點的LED燈模型，然后我們以后就可以根據此模型來設計LED智能燈，如圖6所示。

7 總結與展望

（1）總結

現在的智能化家居并不是真正意義上的智能，所有的智能設備都需要最終接入到手機這個智能終端通過人為的干預來實現所謂的智能化操作。針對傳統照明功能單一、現有LED智能燈用戶體驗差等問題，設計了一種基于藍牙的智能燈系統。該系統以BK3231藍牙芯片為核心，采用Bluetooth SPP和HID協議，實現移動終端設備與智能照明設備的連接與通信，在滿足用戶照明需求的同時，還實現了音樂律動、搖一搖、自拍等趣味控制功能。如果你在閱讀，只需輕觸一下遙控，就能讓柔和的燈光為你制造氣氛，以至于不容易疲勞。如果你加班很晚，只需輕觸一下APP，讓溫馨的燈光在您到家的那一刻為您點亮。LED智能燈已經不僅僅是一個照明產品，更是您生活的伴侶，提高您的生活質量。

（2）展望

一切的科技成果都是為了人類更好的生活，科技的迅速發展，人類社會越來越文明。從前，為了發展經濟我們嚴重破壞了自然生態平衡，給我們的家園帶來了很多的天災人難。現在我們已經意識到了節能環保的重要性。

21世紀，各行各業都在倡導綠色能源，可再生能源。在照明這一方面來說，最環保節能的就是LED智能燈了。從創新的角度來看，LED智能燈有巨大的前景和市場;從市場價格來看，產品價格高，但是隨著國內科技技術的不斷提高，價格不會成為廣大群眾使用的問題。僅僅是照明的效果已經滿足不了人們的需求，人們對審美的觀念也越來越高，LED智能照明將會得到普及，科技與審美的結合也是未來的發展趨勢。

參考文獻：

[1]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]周潤景.單片機原理及應用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[3]周志敏.LED照明技術與應用電路[M].北京：電子工業出版社，2013.

[4]胡子牛，張偉，肖雅金，尹輝.一種基于單片機的智能LED照明燈設計[J].電腦知識與技術，2017（2）：220-222.

[5]張德喜，鄭琳.基于單片機的聲光開關控制系統的設計與實現[J].電子測試，2016（8）：17-18.

[6]James Lee.智能LED照明需要創新的管控和調光[J].單片機與嵌入式系統應用，2018（6）：91-92.

[7]易子川，徐暢，李偉. 基于藍牙的智能燈系統設計[J].電子設計工程，2018（8）：45-51.

[8]李紅巖，鄭明秋. 基于Android系統的智能電燈控制系統的設計與研究.中國管理信息化，2015（11）：143.

【通聯編輯：王力】