多功能智能臺燈設計

何楓，劉閔，楊鳳年

（1.中信建筑設計研究總院有限公司，湖北武漢，430014；2.長沙學院計算機科學與工程學院，湖南長沙，410022）

0 引言

近年來，青少年的近視眼發病率逐年上升，近視眼患者低齡化、重度化的趨勢越來越明顯。影響視力的重要因素之一是用眼環境光線，適宜的光源、正確的坐姿，都是保護視力的必要條件。雖然當前市場上智能臺燈不少，但是其功能和性能尚無法滿足用戶的智能化需求，設計一款具備燈光顏色可調、監督坐姿、人體感應控制、語音控制、智能手機APP 遙控等功能的智能臺燈，滿足人們日常工作、學習和休閑時的照明需求，改善人們的視光環境非常必要。

1 總體方案設計

本文設計的多功能智能臺燈，采用可充電的鋰電池供電，含Mini USВ 接口。它有三種工作模式：手動模式、常規模式和休閑模式，常規模式是默認工作模式，用戶通過觸摸按鍵切換工作模式。常規模式是全功能模式，具有坐姿檢測、OLED 顯示溫度濕度和工作模式、語音識別、語音播報、手機APP 遙控、人體紅外感應和照明亮度和顏色控制等功能；休息模式屬于節能模式，在該模式下坐姿檢測模塊、OLED 顯示模塊、語音模塊、藍牙模塊停止工作，僅人體感應模塊和照明亮度控制模塊啟動，實現人來燈亮，人離開后延時燈滅或轉換成小夜燈工作狀態，以實現節能降耗。手動模式也屬于節能模式，一般在無交流電供應的環境下使用，在該模式下坐姿檢測模塊、語音模塊、藍牙模塊和人體紅外感應模塊都不啟動，最大限度降低能耗。

2 硬件設計

系統采用STM32F103C8T6 作為主控單片機，加上藍牙模塊HC-05、語音模塊、超聲波模塊HC-SR04、0.96英寸OLED 模塊、野火人體紅外感應模塊、溫濕度傳感器DHT11 和含鋰電池的電源等硬件電路，實現了臺燈在常規模式下的智能手機APP 遙控和語音控制，還具有坐姿檢測、溫度濕度和工作方式的OLED 顯示、語音播報等功能；休息模式下，僅提供人體紅外感應開關等功能。語音模塊和藍牙模塊分別通過USART2 和USART3 與MCU 連接，其他功能模塊則通過GPIO與MCU相連。系統硬件架構如圖1所示。

圖1 智能臺燈控制系統的硬件架構

■2.1 單片機核心板

單片機核心板是系統的中央控制模塊，實物見圖2，與其他外圍模塊連接，組成智能臺燈控制系統。核心板采用STM32F103C8T6 單片機作為MCU，該單片機是基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列32 位微控制器，主頻為72MHz，有37 個GPIO 引腳，含4 個16 位定時/計數器、3 個USART、12 位模數轉換器等，其程序存儲器為64KВ FLASH，RAM 大小為20KВ，工作電壓為2～3.6V。

圖2 單片機核心板實物

■2.2 語音模塊

語音模塊的主要功能是語音識別和語音播報，其核心NRK3301 是32 位高性能AI 智能離線語音識別芯片，具有識別精準、遠場降噪的特點，最多可支持100 條離線指令，實物見圖3。模塊連接喇叭和咪頭后，將其串口UART 的PВ9（UART 的TX）和PВ10（UART 的RX）引腳分別連接到STM32 單片機核心板的串口USART2 的引腳A3 和A2（A3為USART2 的RX，A2 為USART2 的TX，引腳分布如圖2所示），即可實現與主控單片機STM32 的信息交互。模塊串口默認配置參數：波特率=9600bps，校驗位=None，數據位=8 位，停止位=1 位。

圖3 語音模塊實物正面（左）和反面（右）

語音識別。NRK3301 自動識別出咪頭接收到語音信號后，首先用喇叭播音方式回答用戶的語音指令，再將語音識別結果通過串口向單片機以字符串的形式發送4 個字節的識別碼，單片機收到識別碼后執行相應的操作。

語音播報。若系統以其他方式如按鍵控制或手機APP控制方式，調整了臺燈的工作模式，那么，單片機可通過串口以字符串的形式向語音識別模塊發送4 字節的控制碼，語音識別模塊收到控制碼后，將對應的工作方式用喇叭播音方式通知用戶。

■2.3 照明驅動模塊

該模塊實現燈的開和關，利用PWM 輸入進而控制燈的亮度和色度，原理圖見圖4。WPM2341-3 是一種增強型P溝道場效應管，其導通與截止由柵源電壓來控制，以此控制燈的亮度，N 溝道的管子加正向電壓即導通，P 溝道的管子則加反向電壓，一般2V～4V 即可。將單片機的TIM3 配置多路輸出模式，PWM1 和PWM2 分別連接單片機TIM3 的CH1（圖2 中的A6 引腳）和CH2（圖2 中的A7 引腳），它們輸出低電平0V 時，相應場效應管的Vgs ≈0V，場效應管截止，而輸出高電平3.3V 時，場效應管的Vgs ≈－5V，場效應管導通，LED 燈點亮。注意：實際產品的電路中D1（白光）和D2（暖光）處都是多個LED 并聯；白光LED 和暖光LED 分別點亮就實現白光、暖光照明，若白光LED 和暖光LED 同時點亮就變成自然光照明。

圖4 照明控制電路

脈寬電壓調制電源在低壓時脈沖較寬，頻率較低，有時會低到人眼最低幀率25 幅/秒時，人眼就可以發覺燈具閃爍現象，因此，PWM 調光頻率應在100Hz 以上。

■2.4 超聲波模塊

實現坐姿檢測的關鍵部件是超聲波測距模塊HCSR04。它提供2cm～400cm 的非接觸式距離感測功能，工作電壓為5V，模塊的引腳Trig 和Echo 與單片機核心板上的GPIO 相連。模塊具有一個超聲波發射器，將電信號轉換為40 kHz 超聲波信號發射出去，一個超聲波接收器監聽反射回來的超聲波信號。如果接收到，它就輸出一個脈沖信號，其寬度可用于確定超聲波信號傳播的距離。具體工作過程：

(1)采用模塊的引腳TRIG（至少要保持10μs 的高電平信號）觸發測距；

(2)模塊自動發出8 個40kHz 的方波，自動檢測是否有信號返回；

(3)若有信號返回，則模塊的引腳ECHO 輸出高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，計算方法如下：測試距離=(高電平時間＊聲速(340m/s))/2。

■2.5 人體紅外感應模塊

人體感應模塊采用野火人體紅外感應模塊，用于檢測人是否接近臺燈。它由菲涅爾透鏡、熱釋電紅外探頭、放大電路組成。透鏡在探頭前方產生交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，有人時，人體產生的紅外線會交替出現在“盲區”和“高靈敏區”，熱釋電紅外探頭檢測到人體發出的紅外線時，發出一個脈沖信號（脈沖寬度固定），再通過放大器將脈沖信號轉化為更直觀的高低電平輸出，有人時輸出高電平，無人時輸出低電平。并在放大電路上設置電位器，調節輸出信號的靈敏度，調節高電平持續時間。

其三個引腳分別是：GND、VCC、OUT，探頭檢測到有人移動時，OUT 輸出1；沒人移動時，OUT 輸出0。工作電壓為5V～20V，輸出電壓：高電平為3.3V，低電平為0V。引腳OUT 與單片機核心板上的GPIO 相連。

■2.6 電源模塊

電源模塊由鋰電池、電源管理芯片和Min iUSВ 接口組成，見圖5，采用AP5056 作為電源管理芯片，它是單片鋰離子電池恒流/恒壓線性電源管理芯片，其較少的外圍元件適合應用于便攜式產品，且專門設計適用于USВ 的供電規格。基于內部MOSFET 結構，不需要外部感應電阻和隔離二極管，當外部環境溫度過高或在大功率工作時，熱反饋可以調節充電電流以降低芯片溫度。充電電壓被固定4.2V，充電電流可通過外部電阻設置。當充電電流在達到浮充電壓之后降到設定值1/10 時，AP5056 將自動停止充電循環。

圖5 電源模塊圖

3 軟件設計

主程序設計流如圖6 所示。臺燈電源上電后，系統各部分初始化，包括如下模塊：STM32 單片機、溫濕度傳感器、人體感應模塊、藍牙模塊、OLED 模塊、語音模塊、超聲波模塊和照明驅動模塊。初始化完成后，臺燈播出語音提示“歡迎使用智能臺燈”，OLED 顯示當前環境溫濕度和常規工作模式，然后程序進入無限循環，判斷模式選擇和確認按鍵是否按下，選擇好模式后有相應的語音提醒，有三種模式可選：常規模式、手動模式和休息模式。默認模式是常規模式。

圖6 主程序流程圖

按鍵信息、語音輸入信息和手機APP 輸入信息通過外部中斷、USART2 中斷和USART3 中斷服務程序獲得。

4 結束語

本文設計的智能臺燈控制系統，具備無線遙控、語音控制、語音播報、人體感應和坐姿檢測、環境溫度和濕度顯示等功能。系統采用鋰電池供電，通過Mini USВ 接口充電，能在無220V 交流電的環境下工作，有三種工作模式：手動模式、常規模式和休閑模式，用戶通過觸摸按鍵切換工作模式，常規模式是全功能模式，手動模式和休息模式為節能模式，僅有部分功能可用；常規模式和休息模式是兩種智能工作模式，分別對應于工作學習和休閑/睡眠兩種應用場景。實際測試表明，該智能臺燈性能較穩定，不僅適合用于辦公/居家照明，還可以用于戶外露營照明。