基于Arduino 的智能燈光控制系統

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

（寧波財經學院數字技術與工程學院，寧波315175）

1 研究內容

智能燈光控制系統通常應用于學校中，當今許多學校中的教室因電路老化只能用比較傳統的照明系統：設定一個總電源，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，無法實現比較人性化多功能的管理方式。

因此，本系統主要研究的是基于Arduino 的智能燈光控制系統的設計與實現。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。并通過對系統各個模塊合理地編程設計，最終實現集檢測溫度、光照、是否有人經過、定時開關以及移動端的檢測。當有人經過并且光照強度較弱的時候燈光會自動開啟，當無人時燈光會關閉，到了固定的時間燈光會自動開啟并且到達指定的時間自動關閉。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能功能，光照低于設定值并且有人時會開燈，到達指定時間會開燈。②由LED 燈、蜂鳴器和等器件來構成報警電路，在發生險情之時完成聲光警報。③選用藍牙模塊將硬件跟移動端相連接，并且進行數據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計，以此來實現聲光報警和信息交互。

2 功能規劃

功能包括自動開關燈功能、火情報警功能、聲光報警、藍牙遠程通信。

2.1 自動開關功能

通過安裝在外的紅外熱釋電傳感器以及光照傳感器，實時監測是否有人經過并且檢測光照強度，來實現自動開關燈，以及定時功能來控制必要的燈光的開啟以及關閉。

2.2 火情報警功能

利用溫度傳感器，可以監測校園中是否會發生火災隱患，并判斷是否報警。

2.3 聲光報警

檢測到險情發生時，系統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 藍牙遠程通信

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

3 系統硬件設計

主要包括系統總體框和硬件組成兩部分。

3.1 系統總體框

本系統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、藍牙遠程通信模塊。智能燈光控制系統總體框圖如圖2 所示。

3.2 硬件組成

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

3.2.1 Uno 板

Arduino Uno 板是當今社會上最為流行的一塊開發板微處理器：ATmega328，8 位微處理器，片內包含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的一種傳感器。它的工作原理是利用紅外線檢測環境加熱內部晶體隨著環境的變化產生電效應，由于溫度的變化使自傳感器內部的電壓發生了變化導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溫度傳感器操作方法相同，主要特點是讀取的溫度的位數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 秒變為750 毫秒。

3.2.4 HC-05 藍牙模塊

這是主從一體的藍牙串口模塊，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，當兩個設備通過藍牙連接成功之后，RX 跟TX 兩個引腳會被當做串口來使用，從而藍牙內部存在的通信協議也就會被放置一邊，那么數據的傳輸就是一個設備將數據通過串口發送到中央處理器中，再由另一個設備從其中接收數據。

3.2.5 光照傳感器

內光效應是光敏電阻特有的工作方式。它的內部電阻會隨著光照強弱來發生變化，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弱，當環境下的光照變強了，內部的電阻會變弱，所以內部產生的電流會隨之增強，當光照強度變弱了，則內部電流減小來通過電阻的阻值來轉換成光照的強度。

3.2.6 無源蜂鳴器

電磁感應現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部的永磁鐵相互吸引或者排斥來發聲，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生聲音。無源蜂鳴器的優點在于：制作成本非常低，可以被用在和LED 復用的一個控制口等方面。

4 功能模塊硬件設計與實現

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

4.1 主機電路設計

主機采用Arduino 來實現。單片機以及在當今社會普及了，隨著集成電路的迅速發展，單片機的地位也隨著水漲船高，但是根據現實以及實際系統的需要和產品的性價比比較，本系統選用了Arduino Uno 板來實現本系統的主電路板。

4.2 藍牙遠程通信電路設計

在本系統中最為重要的還是藍牙傳輸的電路，HC-05藍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，也通過藍牙來傳輸數據，Arduino 和藍牙模塊會對串口緩存區內的數據讀取和接收做出不一樣的反應，從而達到數據傳輸和接收的功能。

5 系統軟件設計與實現

5.1 紅外熱釋檢測模塊設計

紅外熱釋檢測模塊功能概述：本模塊應用了HCSR505 紅外熱釋電傳感器來實現模塊的功能，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 溫度傳感器來實現檢測環境中溫度的功能，溫度監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 藍牙通信模塊設計

串口通信功能概述在本模塊的設計與實現中，需要運用到串口通信來實現部分功能，串口通信所實現的主要功能如表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光照強度的檢測的功能，光照強度監測模塊的主要功能如表4 所示。

表4 光照強度檢測模塊功能描述

5.5 燈光按鈕自主控制設計

按鈕控制功能概述：本模塊運用了按鈕來實現自主控制的功能，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 端注冊登錄界面設計

登錄界面功能概述：在本界面上規劃了三個功能，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：在本界面上規劃了兩個功能，串口數據傳輸，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 結語

本次畢設旨在設計與實現一款校園智能燈光控制系統的實現。其中在原有的聲控燈光中突發奇想，添加了人體檢測以及溫度報警檢測以及移動端的檢測，本質主要是想節約人力物力以及可以定時定點的開關燈，不浪費絲毫能源。

對本系統的展望：本系統的還有待提高比如嫁接在多個燈光的控制上可以實現多燈光控制，可以不用藍牙傳輸更換成wifi 傳輸讓傳輸的距離可以更遠一點。可以再添加一點其他的檢測，比如聲控以及人體檢測的強度比如說可以檢測動物以及其他物品，達到更精準的檢測。