基于多傳感器信息融合的智能照明系統設計

董大波，張萍，牟曉玲

（北京電子科技職業學院，北京，100176）

0 引言

LED 被稱為第四代照明光源或綠色光源，LED 的發光器件是冷光源，具有節能、環保、壽命長、體積小、可控性強等諸多優點[1]。

隨著計算機技術、自動控制技術、總線技術、信號檢測技術和微電子技術的迅速發展和相互滲透，照明控制技術有了很大的發展。而LED 光源體積小、啟動迅速，調節明暗、頻繁開關卻不影響性能等特點正符合照明智能調控的方向，二者相融合，LED 智能照明應運而生。

借助于發達的互聯網技術和通信技術，多個LED 可以通過無線收發模塊接入互聯網，用戶通過個人電腦或者手機應用軟件監測和控制LED 成為可能。

如果說技術成熟的傳統照明產品滿足了用戶關于照明的基本需求，那么，LED智能照明則讓照明變得更節能、高效、智能、人性化。

1 系統總體方案

利用光照傳感器監測室內光線的強弱，人體紅外感應傳感器探測人體的特性，傳感器將監測到的數據傳送給單片機，單片機作為整個系統的控制中心，根據傳感器反饋回來的數據，控制LED 照明設備的開啟和關閉，達到“人來燈亮，人走燈滅”的效果。LED 燈的開啟和關閉采用緩慢地逐漸變化的形式，人眼感受到的不是亮度的劇烈變化，既節省了電能，又保護人的視力，還延長燈的使用壽命，提高智能照明系統人性化水平[2]。

本系統不僅實現獨立的單燈模塊的智能照明功能，而且定時將每個燈開啟的次數和照明時間的長短等信息通過互聯網上傳到上位機，上位機則通過無線接收發送終端接收數據進而實現對LED 的監測；同時，上位機可以通過無線接收發送終端對LED 下發命令，例如停止工作或開始工作，實現對LED 的控制。根據應用環境的變化，系統上位機與LED 的關系可由一對一轉變為一對多。

圖1 是系統的模塊劃分框圖，主要分為七個模塊：光照感應模塊，人體紅外感應模塊，控制模塊，PWM 模塊，LED 驅動模塊，單片機無線收發模塊，上位機無線收發終端模塊。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件設計

■2.1 光照感應模塊

系統選用S1087 作為光照傳感器，此傳感器的核心器件是光敏二極管。入射光越強，電阻越小，將光的變化轉換為電的變化。

■2.2 人體紅外感應模塊

人體正常的溫度恒定的在三十七攝氏度左右，所以會發出特定波長的紅外線，人體紅外傳感器就是靠探測人體發射的特定波長的紅外線而進行工作的。

系統選用HC-SR501 為人體紅外感應模塊，該探測器是基于紅外線技術的自動控制模塊。人進入其感應范圍特定端口會輸出高電平，反之，離開感應范圍端口自動延時并且輸出低電平[3]。

■2.3 STM8 單片機

系統采用STM8 單片機作為控制中心，選擇這款型號的單片機主要是考慮到其具有PWM 和AD 轉換作用，使得外圍電路得到大大地簡化，同時產生的PWM 信號可直接與驅動芯片相連，使得整個系統的成本降低了很多[4]。

■2.4 LED 驅動模塊

用于驅動串聯LED 的恒流源選用PT4115，它內置功率開關，采用高端電流采樣設置LED 平均電流。并且PT4115能夠接收標準邏輯脈沖，用來控制DIM 腳，進而控制LED陣列亮度，引腳可以接受模擬調光和很寬范圍的PWM 調光，使得PT4115 成為精密功能LED 驅動器或者恒流源的理想器件[5]。

3 系統軟件設計

■3.1 主程序的設計

主程序是整個系統軟件部分的基礎和框架，可分為五大模塊：光照（AD）模塊、人體紅外感應模塊、PWM 模塊，C1101 無線收發模塊，上位機模塊。其基本流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

系統上電后，時鐘和各模塊初始化。單片機定時采集信號處理電路的輸出電壓轉換成ADC 值。ADC 的值采集五次，計算平均值，這樣可以一定程度的過濾小范圍的波動，防止錯誤的出現。當光照的平均值小于某一設定的閾值時，單片機調用紅外模塊判斷是否有人，在有人的情況下，單片機通過PWM 點亮LED 燈，并且是以PWM 占空比逐漸增大的方式，等PWM 占空比增長到某一固定的值，該值與光照強度成反比，延時10s，給用戶提供10s 的飽和照明時間，再一次判斷監測區域是否有人，以此循環[6]。

■3.2 單片機無線收發模塊

單片機通過SPI 協議控制CC1101 的數據傳輸。在本系統中，單片機作為主設備，CC1101 為從設備，CC1101 接收單片機的時鐘信號。STM8 單片機有專門的硬件SPI 接口，因此可通過該接口連接C1101[7]。

■3.3 上位機無線收發終端模塊

CC1101 接收終端由8051 單片機控制，其作用是控制CC1101 接收LED 發送過來的數據包，通過USB 虛擬串口轉發到個人計算機[8]。軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 無線接收發送終端軟件設計流程圖

■3.4 LED 模塊向上位機終端發送數據包格式

LED 終端通過通信模塊向上位機定時主動上傳開啟次數和開啟時間。在監測區域內，可以支持多個智能照明燈同時工作，每一個智能照明燈有唯一的編號。智能照明燈向上位機（個人計算機）周期發送的數據包共有5 個字節組成，分別標識終端編號，LED 點亮次數，LED 點亮時間和校驗位，其格式定義如表1 所示。個人計算機接收到數據包后，依表1 中所列格式解析出智能照明燈的編號、在一定時期之內點亮次數和點亮時間[9]。

表1 發送數據包格式定義

4 實驗及分析

本系統實驗樣機的工作參數如下：LED 驅動電路開光頻率1MHz，LED 驅動電流350mA，LED 調光頻率256Hz。實驗表明，系統能長時間穩定運行，可實現智能調光，并且沒有閃爍。

圖4 是LED 在環境黑暗并且有人靠近時的PWM 波形，該波形的占空比正處于上升階段，當前占空比約為40%。

圖4 環境黑暗并且有人靠近時的PWM 波形

5 結束語

與其他LED 智能照明系統相比，本系統的優勢主要集中在四個方面：第一，無需人工干預，智能感應控制。第二，人性化按需照明，根據環境的黑暗程度調節LED 燈的亮度。第三，LED 燈的開啟和關閉采用漸變的形式，起到保護視力的作用。第四，多燈聯網，通過上位機可以監測和控制LED 燈，方便用戶的使用。此外，本系統結構簡單，實用性強，可應用于礦井、廊道、地下停車場等場合，可以達到很好的照明、節能、環保的效果。