家用智能照明系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

梁肖裕，李彥君，苗 晨

（山東科技大學(xué)，濟南 250000）

1 研究背景

在電力能源迅速發(fā)展的時代，人造光點亮夜空，構(gòu)成了輝煌的夜景。然而，伴隨而來的問題是越來越嚴(yán)重的光污染與資源浪費。當(dāng)下，如何防止光污染成為環(huán)境問題中的重點。我們選擇從改變家用室內(nèi)燈具的光源入手，設(shè)計實現(xiàn)家用智能照明調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

我們設(shè)計實現(xiàn)的燈具主要功能為根據(jù)外界光照強度改變自身亮度、調(diào)整色溫，以達到最適宜人體的光照水平，并且兼顧低能耗和使用壽命長的特點。

圖1 光控?zé)艟呒夹g(shù)模塊圖

我們采用兩片ST公司生產(chǎn)的32位超高速主控芯片，并且分別將其作為上位機和下位機。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，采用nrf24L01無線通信模塊作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。在下位機搭載光敏電阻和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，上位機搭載LCD顯示屏和無線數(shù)據(jù)接收模塊。

然后利用光敏電阻與模擬數(shù)字量轉(zhuǎn)換器，將光敏電阻采集的數(shù)據(jù)通過算法轉(zhuǎn)變?yōu)?-100%的數(shù)字量區(qū)間并通過無線模塊發(fā)送到上位機，通過光線百分比的大小來驅(qū)動PWM來調(diào)節(jié)對LED燈具電壓的大小，進一步實現(xiàn)對燈光的控制，PWM調(diào)節(jié)技術(shù)日漸成為了光線調(diào)整中的重要技術(shù)，有很強的應(yīng)用價值。

具有觸摸功能的LCD顯示屏可以讓用戶有效的與系統(tǒng)進行交互，使得開關(guān)控制與個性化照明控制功能得以實現(xiàn)，燈具配有三個操控端，消費者可以通過固定的電子屏查看光照數(shù)據(jù)，也可以通過手機微信端操控，還可以通過微型遙控器改變設(shè)置。三種方式都可以實現(xiàn)對燈光的開關(guān)進行控制。

燈光操控劃分為自動擋和手動擋，既可以讓燈具自行檢測光照進行調(diào)節(jié)，也可以通過手動強制改變亮度，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模式中，也可以選擇更低或更高光照度區(qū)間以適應(yīng)不同人群的身體素質(zhì)。

總的來說，將上述方案從物聯(lián)網(wǎng)的角度來看，感知層是利用了光敏電阻的數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)層是利用了無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用層是將采集到的光線數(shù)據(jù)通過算法以及PWM技術(shù)來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)亮度的功能。

3 應(yīng)用場景

為了減小在強日光下不必要的照明，可以采用光敏自動調(diào)光調(diào)節(jié)LED燈具。光敏元件的作用是感受周圍的日光，如果日光越強那么就輸出一個PWM信號到所有靠近日光的LED燈具，把它們的亮度調(diào)暗。一個調(diào)光信號發(fā)生器可以調(diào)節(jié)很多LED燈具，只要這些燈具的恒流驅(qū)動源帶有PWM調(diào)光控制接口。這種調(diào)光系統(tǒng)本身的效率高達92%以上。這種全自動的自適應(yīng)節(jié)能調(diào)光是任何熒光燈、節(jié)能燈、高壓鈉燈等氣體放電管根本無法實現(xiàn)的，而卻是LED燈具最擅長的。

我們設(shè)計的家用照明智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以提供不同模式的照度，設(shè)置多種擬態(tài)，通過劃分不同環(huán)境、不同用途來設(shè)置不同亮度區(qū)間。醫(yī)學(xué)研究證明，視覺系統(tǒng)會將外界光環(huán)境的明暗信息傳遞給大腦從而影響人的日?；顒?。例如，日本學(xué)者曾用50Lx的白熾燈和1000Lx的紅、綠、藍三種熒光燈對睡眠前的人進行照明，發(fā)現(xiàn)在白熾燈和紅色熒光燈照明時，人們更容易進入較深的睡眠狀態(tài)。

照明設(shè)計應(yīng)有一個合適的照度值，照度值過低，不能滿足人們正常工作、學(xué)習(xí)和生活的需要；照度值過高，容易使人產(chǎn)生疲勞，影響健康。根據(jù)GB50034-2013《住宅建筑照明標(biāo)準(zhǔn)》對房間照度均與度進行了明確規(guī)定。

為了減小在強日光下不必要的照明，可以采用光敏自動調(diào)光調(diào)節(jié)LED燈具。光敏元件的作用是感受周圍的日光，如果日光越強那么就輸出一個PWM信號到所有靠近日光的LED燈具，把它們的亮度調(diào)暗。一個調(diào)光信號發(fā)生器可以調(diào)節(jié)很多LED燈具，只要這些燈具的恒流驅(qū)動源帶有PWM調(diào)光控制接口。這種調(diào)光系統(tǒng)本身的效率高達92%以上。這種全自動的自適應(yīng)節(jié)能調(diào)光是任何熒光燈、節(jié)能燈、高壓鈉燈等氣體放電管根本無法實現(xiàn)的，而卻是LED燈具最擅長的。

與此同理，夜間環(huán)境光較暗的情況下，燈具會自動調(diào)節(jié)亮度，選擇最適宜人眼的光照強度。并且根據(jù)GB 50034-2013《住宅建筑照明標(biāo)準(zhǔn)》對光源顏色的標(biāo)準(zhǔn)，選擇最適宜的光照顏色。

4 結(jié)束語

我們設(shè)計的家用智能照明調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在滿足基本照度及創(chuàng)造良好的燈光藝術(shù)的前提下，還充分考慮不同照明光環(huán)境對人的生理和心理的不同影響，針對季節(jié)、年齡、性別、健康以及地域的差異問題進行智能化、個性化設(shè)計，設(shè)計出了一個生動且富有人性的照明光環(huán)境。