Arduino的家居智能照明系統的設計

湖南信息學院電子信息學院 陳章鵬 陳 亮 張鈺莎 何愛軍 梁菜萍 許 彤 陳寧欣

本系統總設計是基于Arduino物聯網的家居照明系統，對照明設備進行統一部署和管理，由傳感器、家庭網關、手機終端構成。在Arduino開源平臺上部署傳感器節點，對照明設備的狀態進行檢測；在軟件平臺上接受并處理反饋信息，根據指定的策略對照明設備進行控制；終端產品對燈具進行遠程管理和模式切換。本系統將家居照明設備從被動靜止結構轉變為多種場景照明的智能控制系統，同時具有可擴展性，滿足用戶需求的變化，帶來良好的生活體驗。

1 智能家居照明系統應用現狀

1.1 全球智能照明市場前景廣闊

傳統的鎢絲燈、氣體放電燈照明時代跨越到了現代的LED半導體器件的照明時代，家居照明領域發生了巨大變化。與此同時，網絡時代也在發生著改變，由原先的移動互聯網開始向物聯網轉變。正是科技融合發展的高速時期，在LED照明與物聯網創新結合的基礎上，碰撞出了影響人類生活的智能照明時代。科技之間的結合、碰撞，為智能照明時代的市場發展提供了廣泛空間和爆發潛力，奠定了智能照明生態體系在時代發展中迭代、優化、發展、向著更優體系不斷更新的基礎。

據全球市場研究咨詢公司Markets and Markets發布的市場研究報告指出，2015年全球智能照明市場規模為33億美元，預計2022年將達到197億美元，這個期間的復合年增長率為27%。

1.2 智能照明控制要選擇合適的連接技術

在萬物互聯的時代，連接的技術非常多。有基于總線的有線技術，有短距離的無線連接技術，也有跨越幾公里的廣域網無線技術。在使用智能家居照明時，需要對家居的全套設備進行全連接、簡便操作且保障安全。由于組網節點多及其復雜性，必須支持低功耗、成本低。藍牙技術具有低功耗的特性，對基于可控廣播的藍牙Mesh技術有了新的定義，在未來也十分具有發展潛力，值得界內關注。如果只是簡單地點連接或者是不需要連接很多結點，使用WiFi或藍牙連接即可。

1.3 互聯網技術與傳統照明加速融合

新時代下的物聯網業態以及技術本身都在發生新的變化，物聯網帶來的不僅僅是產品層面的沖擊，更多的是跨界融合。全球IT巨頭思科攜手Cree推出Smartcast以太網供電智能照明平臺；IoT照明平臺供應商Gooee和EnOcean共同研發了網狀藍牙智能照明控制系統；華為與歐普合作，GE、蘋果、高通等科技巨頭也動作頻頻，通過和傳統照明企業的強強聯合進軍智能照明已經成為常態。

從技術角度看，智能照明主要強調對照明的基于規則的控制與基于環境因素和人的需求的簡單自動控制，讓照明具有邏輯智慧。它需結合大數據處理與人工智能和產業的完善，來超越照明本身的意義走向從智能照明邁向智慧照明高度。

綜上，本項目研究既符合物聯網應用的市場前景，在設計和開發實現中也將不斷跟蹤業界的新技術動態，保持本項目的創新性和實用性。

2 系統分析

2.1 采用Arduino開源物聯網硬件平臺

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，在物聯網開發領域中，硬件集成和軟件開發兩方面都可以充分利用Arduino的多種優勢。Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協議范圍內里可以任意修改原始設計及相應代碼，包含硬件和軟件開發環境。

硬件部分是Arduino電路板，它能通過各種各樣的傳感器來感知事物，通過控制燈光、馬達、舵機和其他的模塊來反饋、影響事物。

軟件部分是Arduino IDE，它可以靈活、簡便的進行程序開發。將IDE中的代碼燒寫到Arduino電路板芯片后，可以通過Arduino電路板驅動控制燈具終端。

2.2 選用Python作為物聯網全棧開發語言

Python是一種應用層編程語言，非常適合物聯網系統整合。首先，它支持物聯網可編程設備，在嵌入式環境中使用Python，遠比C/C++簡單快捷，大大提高了編程效率。不僅可以訪問絕大多數的硬件資源，調試簡單，還可以獲得各種中間件服務，包括文件系統、交互命令、網絡服務，并且支持多線程、異步I/O、回調，無須擔心內存泄漏和垃圾回收問題。其次，Python支持物聯網網關開發，隨著硬件和操作系統的標準化，編程接口也逐漸標準化。物聯網中的無線通訊技術已經標準化，不需要開發底層驅動，基于標準化硬件、操作系統和編程接口，可以大大簡化、加速物聯網開發。再次，Python易于進行服務器端開發，它有大量開放源代碼的Web應用框架，如Django、Flask等，可以比較方便地完成物聯網項目的后端Web開發。Python有大量有模塊庫，它可以用更少的代碼行完成更多的工作，是物聯網系統數據分析部分的理想選擇。

3 系統設計與應用

3.1 硬件搭建部分

（1）電源模塊

電源模塊是驅動各種元器件的動力之源。本系統在不影響體驗的情況下采用了低成本的自主搭建的電源模塊。由變壓器將220V輸入轉化為24V輸出，再經過同步整流MOS管全橋電路的整流大大降低了損耗，再用7812、7805和AMS117配合電路來實現穩壓，將其做成電源箱后就可對各芯片進行獨立供電了。

（2）控制模塊

控制模塊的ArduinoMCU通過模擬量I/O口發出信號給組合的138譯碼器來控制光耦隔離開關模塊，也可以直接通過終端產品通過WiFi通信來控制光耦隔離開關。光耦隔離開關模塊通過驅動電路來控制MOS管的導通于截止實現智能的效果。再MOS管端口出并聯一個舵機開關直接短路來達到按鍵模式的主控、其他智能模式的輔助的應用效果。為達到用戶需求降低成本的目的下，通過溫度、光照、聲音傳感器定時反饋走廊的溫度等數據來控制走廊的燈具，這些傳感器布置于走廊等場所，其他區域只分布聲音傳感器。

（3）檢錯模塊

檢錯模塊主要由電壓測量元件組成。當燈具出現故障時，就可以調節亮度來讀取電壓，也可以經過歐姆定律轉換成電流共同來進行電路故障的尋找與處理。

3.2 軟件系統搭建部分

對市場需求的調查和實際需求的分析，本系統設定了按鍵、無線、自動檢錯4種模式來滿足各種場景的切換。

（1）按鍵模式

按鍵模式為主控模式。在這個模式開啟之后整個智能化系統處于一個睡眠狀態達到低功耗的狀態，實現的是一種現代普遍的照明電路系統，通過一種普遍的開關來實現回路的閉合點亮led燈具。

（2）無線模式

無線模式為輔助模式。這個模式用戶可以通過手機app等終端產品根據自己的需求通過網絡通信將控制指令下達給MCU，由內部燒錄的代碼配合指令通過pwm和數字I/O口來控制電路來實現相應的燈具開關與亮度，此界面還具有擴展功能，用戶可以按照相應的硬件說明來實現燈具的擴展。

（3）自動模式

自動模式采用的是一種傳感器數據反饋的方法來實現自動切換功能。數據從敏感元件捕捉上來經過轉換原件的處理后得到普通人可以使用的日常數據，再通過用戶普遍的需求進行參數的設定。根據傳感器反饋的處理后的數據和設定值進行比對，通過Arduino模擬I/O輸出口配合控制模塊電路進行亮度的調節控制。

圖1 系統場景模式操作界面

圖2 檢錯模式反饋界面圖

（4）檢錯模式

檢錯模式主要是通過調節亮度再通過反饋回來的參數判別電路故障點，再根據常用故障說明書通過排除法來推斷故障點的問題所在。達到快、準、狠的效果。

4 實現效果

系統硬檢錯模塊中，用戶可以調節亮度，根據傳感器反饋的數據參數后的電流和電壓變化進行故障點的尋找，再通過常見故障說明書來判定燈具問題還是電路和其他元器件的問題，讓電路小白也可以進行快、狠、準的維修。如圖1、2所示。

總結：本文設計了一個家居照明系統，除了具備市面上已有聲控、手動開關等基本功能，還著重突出了系統中的遠程的智能兼容機制，符合了現代智能化的業務需求，能夠實現較好的照明效果，使得用戶在智能中不斷受到心理激勵，在生活中獲得幸福感，生有所福、事有激情。