基于多傳感器信息融合的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董大波，張萍，牟曉玲

（北京電子科技職業(yè)學(xué)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(fā)光器件是冷光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小、可控性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、總線技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和相互滲透，照明控制技術(shù)有了很大的發(fā)展。而LED 光源體積小、啟動(dòng)迅速，調(diào)節(jié)明暗、頻繁開(kāi)關(guān)卻不影響性能等特點(diǎn)正符合照明智能調(diào)控的方向，二者相融合，LED 智能照明應(yīng)運(yùn)而生。

借助于發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)，多個(gè)LED 可以通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過(guò)個(gè)人電腦或者手機(jī)應(yīng)用軟件監(jiān)測(cè)和控制LED 成為可能。

如果說(shuō)技術(shù)成熟的傳統(tǒng)照明產(chǎn)品滿足了用戶關(guān)于照明的基本需求，那么，LED智能照明則讓照明變得更節(jié)能、高效、智能、人性化。

1 系統(tǒng)總體方案

利用光照傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)光線的強(qiáng)弱，人體紅外感應(yīng)傳感器探測(cè)人體的特性，傳感器將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)傳感器反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)，控制LED 照明設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉，達(dá)到“人來(lái)燈亮，人走燈滅”的效果。LED 燈的開(kāi)啟和關(guān)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(jié)省了電能，又保護(hù)人的視力，還延長(zhǎng)燈的使用壽命，提高智能照明系統(tǒng)人性化水平[2]。

本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的單燈模塊的智能照明功能，而且定時(shí)將每個(gè)燈開(kāi)啟的次數(shù)和照明時(shí)間的長(zhǎng)短等信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)則通過(guò)無(wú)線接收發(fā)送終端接收數(shù)據(jù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 的監(jiān)測(cè)；同時(shí)，上位機(jī)可以通過(guò)無(wú)線接收發(fā)送終端對(duì)LED 下發(fā)命令，例如停止工作或開(kāi)始工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 的控制。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的變化，系統(tǒng)上位機(jī)與LED 的關(guān)系可由一對(duì)一轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚?duì)多。

圖1 是系統(tǒng)的模塊劃分框圖，主要分為七個(gè)模塊：光照感應(yīng)模塊，人體紅外感應(yīng)模塊，控制模塊，PWM 模塊，LED 驅(qū)動(dòng)模塊，單片機(jī)無(wú)線收發(fā)模塊，上位機(jī)無(wú)線收發(fā)終端模塊。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 光照感應(yīng)模塊

系統(tǒng)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(qiáng)，電阻越小，將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化。

■2.2 人體紅外感應(yīng)模塊

人體正常的溫度恒定的在三十七攝氏度左右，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線，人體紅外傳感器就是靠探測(cè)人體發(fā)射的特定波長(zhǎng)的紅外線而進(jìn)行工作的。

系統(tǒng)選用HC-SR501 為人體紅外感應(yīng)模塊，該探測(cè)器是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊。人進(jìn)入其感應(yīng)范圍特定端口會(huì)輸出高電平，反之，離開(kāi)感應(yīng)范圍端口自動(dòng)延時(shí)并且輸出低電平[3]。

■2.3 STM8 單片機(jī)

系統(tǒng)采用STM8 單片機(jī)作為控制中心，選擇這款型號(hào)的單片機(jī)主要是考慮到其具有PWM 和AD 轉(zhuǎn)換作用，使得外圍電路得到大大地簡(jiǎn)化，同時(shí)產(chǎn)生的PWM 信號(hào)可直接與驅(qū)動(dòng)芯片相連，使得整個(gè)系統(tǒng)的成本降低了很多[4]。

■2.4 LED 驅(qū)動(dòng)模塊

用于驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED 的恒流源選用PT4115，它內(nèi)置功率開(kāi)關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED 平均電流。并且PT4115能夠接收標(biāo)準(zhǔn)邏輯脈沖，用來(lái)控制DIM 腳，進(jìn)而控制LED陣列亮度，引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM 調(diào)光，使得PT4115 成為精密功能LED 驅(qū)動(dòng)器或者恒流源的理想器件[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主程序的設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)系統(tǒng)軟件部分的基礎(chǔ)和框架，可分為五大模塊：光照（AD）模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、PWM 模塊，C1101 無(wú)線收發(fā)模塊，上位機(jī)模塊。其基本流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

系統(tǒng)上電后，時(shí)鐘和各模塊初始化。單片機(jī)定時(shí)采集信號(hào)處理電路的輸出電壓轉(zhuǎn)換成ADC 值。ADC 的值采集五次，計(jì)算平均值，這樣可以一定程度的過(guò)濾小范圍的波動(dòng)，防止錯(cuò)誤的出現(xiàn)。當(dāng)光照的平均值小于某一設(shè)定的閾值時(shí)，單片機(jī)調(diào)用紅外模塊判斷是否有人，在有人的情況下，單片機(jī)通過(guò)PWM 點(diǎn)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(zhǎng)到某一固定的值，該值與光照強(qiáng)度成反比，延時(shí)10s，給用戶提供10s 的飽和照明時(shí)間，再一次判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域是否有人，以此循環(huán)[6]。

■3.2 單片機(jī)無(wú)線收發(fā)模塊

單片機(jī)通過(guò)SPI 協(xié)議控制CC1101 的數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)作為主設(shè)備，CC1101 為從設(shè)備，CC1101 接收單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)。STM8 單片機(jī)有專門的硬件SPI 接口，因此可通過(guò)該接口連接C1101[7]。

■3.3 上位機(jī)無(wú)線收發(fā)終端模塊

CC1101 接收終端由8051 單片機(jī)控制，其作用是控制CC1101 接收LED 發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，通過(guò)USB 虛擬串口轉(zhuǎn)發(fā)到個(gè)人計(jì)算機(jī)[8]。軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 無(wú)線接收發(fā)送終端軟件設(shè)計(jì)流程圖

■3.4 LED 模塊向上位機(jī)終端發(fā)送數(shù)據(jù)包格式

LED 終端通過(guò)通信模塊向上位機(jī)定時(shí)主動(dòng)上傳開(kāi)啟次數(shù)和開(kāi)啟時(shí)間。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，可以支持多個(gè)智能照明燈同時(shí)工作，每一個(gè)智能照明燈有唯一的編號(hào)。智能照明燈向上位機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)）周期發(fā)送的數(shù)據(jù)包共有5 個(gè)字節(jié)組成，分別標(biāo)識(shí)終端編號(hào)，LED 點(diǎn)亮次數(shù)，LED 點(diǎn)亮?xí)r間和校驗(yàn)位，其格式定義如表1 所示。個(gè)人計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，依表1 中所列格式解析出智能照明燈的編號(hào)、在一定時(shí)期之內(nèi)點(diǎn)亮次數(shù)和點(diǎn)亮?xí)r間[9]。

表1 發(fā)送數(shù)據(jù)包格式定義

4 實(shí)驗(yàn)及分析

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的工作參數(shù)如下：LED 驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)光頻率1MHz，LED 驅(qū)動(dòng)電流350mA，LED 調(diào)光頻率256Hz。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光，并且沒(méi)有閃爍。

圖4 是LED 在環(huán)境黑暗并且有人靠近時(shí)的PWM 波形，該波形的占空比正處于上升階段，當(dāng)前占空比約為40%。

圖4 環(huán)境黑暗并且有人靠近時(shí)的PWM 波形

5 結(jié)束語(yǔ)

與其他LED 智能照明系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要集中在四個(gè)方面：第一，無(wú)需人工干預(yù)，智能感應(yīng)控制。第二，人性化按需照明，根據(jù)環(huán)境的黑暗程度調(diào)節(jié)LED 燈的亮度。第三，LED 燈的開(kāi)啟和關(guān)閉采用漸變的形式，起到保護(hù)視力的作用。第四，多燈聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)上位機(jī)可以監(jiān)測(cè)和控制LED 燈，方便用戶的使用。此外，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可應(yīng)用于礦井、廊道、地下停車場(chǎng)等場(chǎng)合，可以達(dá)到很好的照明、節(jié)能、環(huán)保的效果。