多功能白光LED智能照明系統的設計*

汪　為，楊　濤，田寶森，熊　艷

(長江大學 物理與光電工程學院，湖北 荊州434023)

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多功能白光LED智能照明系統的設計*

汪為，楊濤，田寶森，熊艷

(長江大學 物理與光電工程學院，湖北 荊州434023)

從照明人性化、個性化及智能化的需求入手，提出了集合光控、紅外感應、實時信息監控、照度分級于一體的基于物聯網的多功能白光LED智能照明系統的設計方案，該方案結合紅外傳感模塊、光敏傳感模塊、ZigBee無線傳輸單元等對燈光系統進行多路控制以實現白光LED的亮度分級，同時對周圍環境的溫濕度以及氣體是否異常進行實時監控，實現了兼具聲控、外部照度分級光控、紅外感應控制、紅外遙控調光、物聯網控制且實時監測環境信息的多功能白光LED智能照明系統。

智能照明；分級調控；物聯網；ZigBee

0　引言

隨著一系列先進技術的發展，人們越來越注重數字化家居的實現。智能化照明技術能大大促進數字化家居的發展，且能進一步融合個性需求，優化照明環境，與此同時，智能照明技術不僅操作簡單，而且更加便于管理，有利于更好地節省人力、財力資源。LED智能照明系統因其節能、環保、自動化的特點而受到廣泛的關注和應用[1]。目前，大多數LED智能照明系統的控制采用聲控、光控、聲光控為主，但燈具的亮度為一恒定值，在一定程度上造成了能源的浪費，同時減少了燈具的使用壽命[2]。本文從照明人性化、個性化及智能化的需求入手，提出了集合光控、紅外感應、實時信息監控、照度分級于一體并基于物聯網的多功能白光LED智能照明系統的設計方案，該方案結合紅外傳感模塊、光敏傳感模塊、ZigBee無線傳輸單元等對燈光系統進行多路控制以實現白光LED的亮度分級，同時對周圍環境的溫濕度以及氣體是否異常進行實時監控，獲得了兼具聲控、外部照度分級光控、紅外感應控制、紅外遙控調光、物聯網控制且實時監測環境信息的多功能白光LED智能照明系統。

1　總體設計

該測試系統結構圖如圖1所示，主要由紅外感應器、光敏傳感器、控制器[3]、照明裝置、電源裝置、物聯網管理系統[4-5]、用戶終端[6]、溫濕度傳感器和氣體傳感器組成。紅外感應器、光敏傳感器、電源裝置的輸出端分別與控制器的輸入端連接，控制器的輸出端與照明裝置的輸入端連接。該系統由各個傳感器接收信號并由控制器進行處理，可通過物聯網管理系統對燈具及周圍環境的信息進行監控。紅外感應器用于采集外界的紅外線強度并將采集的數據發送給控制器；光敏傳感器用于采集外界的光照強度并將采集的數據發送給控制器；控制器用于對接收的紅外線強度及光照強度進行分析并控制所述照明裝置的開關及光照強度；電源裝置用于給整個裝置提供輸出電壓，物聯網管理系統主要是將燈具的工作狀態以及外部環境的溫濕度和氣體是否異常傳到用戶終端，用戶終端將信息顯示出來便于人們對燈具進行控制。具體實現過程如下：

圖1　系統總體結構圖

(1)當使用者進入紅外感應的范圍時，若監測環境照度小于預設照度，此時，燈具就會進行照度補償，使環境照度達到預設值；若此時的環境照度大于或等于燈具的預設值，則燈具不亮。

圖2　燈具驅動電路圖

(2)可以通過電腦連接ZigBee中心節點或用手機連接WiFi對燈具的運行情況和環境的溫濕度以及周圍氣體是否異常進行監控。

(3)可根據用戶需要用紅外遙控器對預設照度進行調節。

2　智能照明系統的硬件設計

2.1光敏傳感模塊的設計

現階段來看，大多數測光系統的光強采集原件為光電池或光電三極管，其中包括信號放大電路、AD轉換等，其系統的設計復雜程度較高。而高級的測光系統更需要多檔放大電路實現大量程測光，這些電路增加了系統的能耗和靈活度，且易受到非可見光的干擾。

本設計采用單片測光芯片BH1750作為光敏傳感器，測量范圍為1～65 536 lx,完全滿足一般環境下的量程范圍的照度。它是具有優良光譜靈敏度特性、16 bit串行輸出的單片數字照度傳感器。在具體設計過程中，主要通過I2C(Inter Integrated Circuit )通信接口讀取BH1750采集到的數據，然后根據用戶要求的形式將數據在液晶顯示屏上呈現出來。

另外，BH1750芯片只需3個I/O口就可以與單片機進行通信，極大地減少了單片機上I/O口的使用數量，從而降低了系統的復雜度，且測量結果更加準確。

2.2紅外遙控調光的設計

紅外遙控調光是該智能照明系統重要的功能之一，在遙控信號發射部分采用38 kHz的信號作為載波對各個按鍵按下所產生的信號調制后進行發射，通過紅外接收管接收之后將信號傳遞給單片機處理，從而達到調光的目的。如圖1所示，可通過紅外遙控器手動設定照明裝置的照度值，控制器根據設定的光照強度值與環境照度值的差異調節輸出電壓，從而實現對照明裝置照度的控制。紅外遙控調光方式分為兩種，一種是利用紅外遙控器自行設定照度值，另一種分為粗調和細調，粗調是每按一下按鍵照度值加減50 lx，細調是每按一下按鍵照度值加減1 lx，這樣的調光方式，方便了用戶對周圍環境亮度的控制，增強了用戶體驗。

2.3燈具驅動電路的設計

燈具驅動電路如圖2所示。其主要利用PCF8591芯片通過集成電路總線I2C(Inter Integrated Circuit )通信接口讀取單片機輸出的數字信號(0～255)并轉化為模擬電壓，再將電壓進行放大后作用于燈具，從而達到調光的目的。

2.4物聯網管理系統及用戶終端的建立

本照度分級的智能照明系統主要采用Socket通信協議。如圖1系統的結構圖所示，物聯網管理系統7包括物聯網終端71和物聯網中心節點72，物聯網終端與物聯網中心節點無線連接，電腦通過串口與物聯網中心節點連接，該中心節點發送電磁波控制物聯網終端，從而監控照明裝置的運行情況和測試環境氣體是否異常，另外，手機客戶端也可以通過WiFi與物聯網中心節點遠程連接來控制燈具的運行情況和監測環境氣體是否異常。如圖3所示為電腦和手機上無線管理系統圖中電腦和手機的界面顯示。

圖3　電腦和手機上無線管理系統圖

3　智能照明系統的軟件設計

3.1照度分級的設計

本智能照明系統主要采用C#語言編程[7]，通過控制單片機上串口的高低電平來實現對燈具的控制，系統流程圖如圖4所示。首先，在單片機初始化的過程中將會讀取預設的照度值，然后通過光敏傳感器檢測環境的亮度是否比預設照度小，只有在環境照度低于預設值且有紅外感應的情況下，LED燈具才發光，進行照度補償，從而使環境照度達到預設值，達到調光的目的。另外，此系統還可以根據用戶需要來設定光照強度。

圖4　系統的結構流程圖

3.2環境氣體監控

環境氣體的監控包括以下步驟：傳感器感應環境氣體，判斷感應到的氣體是否異常，若感應到的氣體異常，則判斷異常是否超過預設時間，若異常超過預設時間，則輸出異常信號至手機或電腦客戶端，異常報警，然后判斷異常是否處理完畢，若異常處理完畢，則解除報警。該環境監控主要是應對現行大樓可能發生的突發事件而設計，具有及時、準確的特點。

4　結論

該多功能LED智能照明系統通過紅外感應器及光敏傳感器采集外界的紅外感應信號及照度信號，控制器通過以上采集信號對應的不同輸出電壓控制照明裝置的光照強度，根據是否有紅外感應及外界的光強變化實現照度的分級實時調控，并且通過物聯網對LED燈具的狀態、環境的溫濕度以及氣體是否異常進行實時監控，有效地減少了系統能耗，提高了照明裝置的使用壽命，在家居、餐廳、酒店、公共設施等場所均具有較廣泛的應用前景。

[1] 南忠良,孫國新.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].電子設計工程, 2010,18(7):117-119.

[2] 劉衛國.建筑智能照明控制系統的分析與應用[J].新材料新裝飾，2014(7)：59.

[3] 胡乾斌,李光斌,李玲，等.單片微型計算機原理與應用[M].武漢:華中科技大學出版社,2004.

[4] 陸洋.智能家居中的業務及關鍵技術[J].電信技術,2010(5):45-47.

[5] 王敏，武陽，王寧，等.基于物聯網架構的智能照明系統的設計與實現[J].電工技術學報，2015(S1)：110-114.

[6] 王吉福.ZigBee無線組網技術及其應用[J].當代青年月刊,2015(2)：124.

[7] 振杰.C++程序設計[M].北京:人民郵電出版社,2005.

Design of intelligent multifunctional LED lighting system

Wang Wei, Yang Tao, Tian Baosen, Xiong Yan

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

To satisfy lighting humanization, personalized and intelligent demand, this paper puts forward a design scheme which set light control, infrared sensors, real-time monitoring, information classification and illumination in an IoT based multifunctional white LED intelligent lighting system. The scheme combines infrared sensing module, photosensitive sensor module, ZigBee and so on to control the lighting system in order to realize the brightness classification of white LED. At the same time, temperature and humidity of the surrounding environment and real-time monitoring of the abnormal gas is obtained, as well as sound and light control, external illumination grading control, infrared remote control infrared dimming, networking control and real-time monitoring of the environment information.

intelligent lighting; hierarchical regulation; Internet of Things; ZigBee

湖北省大學生創新創業訓練計劃項目(104892014036)

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.15.029

2016-04-14)

汪為(1994-)，男，在讀本科生，主要研究方向：物理學。

楊濤(1993-)，男，在讀本科生，主要研究方向：光電信息。

熊艷 (1980-) ，通信作者,女，博士，副教授，主要研究方向：半導體光電器件。E-mail: yxiong@yangtzeu.edu.cn。

引用格式：汪為，楊濤，田寶森，等. 多功能白光LED智能照明系統的設計[J].微型機與應用，2016,35(15)：98-100.