基于生物信息反饋的智慧情景照明系統

殷瑤 楊倩茹 龔梽瑋 王岫鑫

摘 要 基于生命信息反饋的智慧情景照明系統以 STC12C5A60S2 單片機為核心，結合脈搏傳感器、心電傳感器、血氧傳感器、紅外傳感器、光強傳感器等的功能，根據生理信號和環境信息控制 LED 燈使其發出不同亮度、色彩以及色溫的光，從而滿足人們不同的情景照明需求，真正實現因“你”而亮（“你”指的是人和環境）。

關鍵詞 傳感器 LED 情景照明 通信模塊

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）07-0023-03

1 研究目的及意義

為了滿足人們日常的照明需求的同時還要做到電能的節約，本系統在保持原有電力布局的基礎上實現了個性化的設置。本系統打造的LED燈能夠為人們營造溫馨、浪漫、多彩的氛圍，不僅如此，本系統還可以對人體不健康的狀況予以示警。這樣的照明系統能夠更好的為人類的生活提供便利。

本系統最大的創新點就是將照明和人與環境相結合[1]，真正實現因“你”而亮，“你”指的是人和環境。它不需要你手動操作，而是根據生理信號和周圍的環境信息自動控制照明燈的亮度、色彩以及色溫，從而為人們提供一種舒適多彩的照明環境。

2 功能分析

現在市面上出現的產品大多是以傳感器感知人體存在時反饋并進行單純的燈光照明[2]，而本作品增加了生理信息采集模塊進行人體生物信號的感知和反饋，生理信號采集模塊對心率、脈搏信號采集并通過藍牙發送到軟件進行分析處理后進行不同的燈光反饋，可以從不同生理信號反饋的不同燈光得知人體的健康狀況，還可以對人即將進行的活動予以提醒，對危險的人體健康狀況予以警示。

系統具有以下幾個功能：自動亮滅、明暗調節、情景照明、生理控制、健康預警、時間提醒。

3 內容與技術

3.1 硬件

系統主要是由信息采集模塊、藍牙模塊、集中控制器（EEC）、LED驅動模塊和接收終端組成。首先是信息采集模塊[3]，它將采集到的紅外信息、生物信息和其他信息通過從發送端傳送給藍牙，其次藍牙模塊把信息傳輸給EEC，最終起到核心控制作用的就是EEC模塊，EEC處理分析這些采集的生理信息并發出控制信號。其中，發送端與接收端之間采用電力載波通信技術[4]實現數據的遠程通信，通過低壓220V電力線連接。在電力載波模塊接收端捕獲電網中的載波信號之后，將濾波和譯碼后的信號通過SPI口傳遞給微控制器單元;微控制器單元解析并處理接收到的信號，輸出相應的PWM信號;LED驅動模塊根據PWM信號[5]判斷是否點亮或調節各路LED燈的亮度，從而可以達到調節色彩、亮度以及色溫、自動控制亮滅的目的，具體流程圖如圖1所示。

3.1.1 生理信號采集模塊

生理信號采集模塊主要分為3大模塊：藍牙發送電路、傳感電路以及電源電路。其中電源模塊主要是用ASM1117芯片[6]及相關電路進行5V到3.3V穩壓以及可以進行電量檢測。傳感電路主要由SON1303和SON3130芯片及相關電路組成。衡量傳感器好壞的一大標準就是信噪比，反射率提高，測量感度提高，從而引起信噪比的提高。想要芯片的反射率更高，就需要波長小，如570nm的綠光就比900nm的紅外光反射率更高。SON1303芯片即是利用這一原理，它采用反射式光電傳感器使測量方式，通過改變傳統的紅外光來提高反射率。現多應用于可穿戴式心率傳感器、運動心率儀等。最后藍牙發送電路主要是cc2540芯片及相關電路組成，用于將采集到的心率、脈搏信號發送出去。

3.1.2 光強傳感器模塊

光強傳感器模塊采用BH1750芯片組成電路。BH1750是半導體制造商ROHM為適應以移動電話手機為首的便捷式機器和液晶電視等電器的要求而開發出的具有優良光譜靈敏度特性的數字環境亮度傳感器。這也意味著可以省略一直以來必須進行的外部演算處理。無論外界環境明暗程度如何它都類似于人類視覺對亮度的感應機制，能夠進行大范圍的亮度測定。

3.1.3 人體感應傳感器模塊

人體感應傳感器選擇的是型號為HC-SR501人體感應模塊[7]，它是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，具有靈敏度高、可靠性強等優點。感應模塊有三個引腳，即電源、地和輸出引腳。經過反復實驗，在一個辦公室中如果有人，但200秒之內都沒有人有動作，導致感應模塊輸出低電平的情況基本不會發生，所以將延時時間調到最大就可以滿足監測要求。同時，將感應距離調節也到最大。在通電后有一分鐘左右的初始化時間，一分鐘后進入監測狀態。

3.1.4 電力載波通信模塊

電力載波通信模塊是基于載波芯片MI200E設計而成。MI200E是一款高性能的高集成數模混合載波通信芯片，專門針對低壓電力線進行優化設計的高度集成、高性能的電力線載波通訊芯片。可以提供載波偵聽和有效偵指示信號。其特點有內置開關電容帶通濾波器（BPF）內置數字功率放大器（DPA）、內置CRC-16硬件校驗電路、可適用于不同環境的傳輸速率、可變擴頻增益等，采用SOP24封裝。現芯片已經廣泛應用于路燈控制系統、安全報警系統、智能家居系統、路燈控制系統等方面。

3.2 軟件

集中控制器軟件設計、接收終端軟件設計是軟件設計中兩個主要的部分。兩個部分都需要先初始化設備。首先是接收終端軟件設計，采集的生物信號在集中控制器中經過解析譯碼處理后轉化為相應的控制信號向各個支路廣播信息，軟件會根據反饋的生物信息下達命令，在確定收到命令之后，進行解碼、譯碼、向支路上廣播信息等步驟。其次是集中控制器軟件設計，軟件會自動判斷是否捕獲到載波信號，如果是，就進行以下步驟：接受信號、解碼地址位、校驗地址位、解碼數據位、輸出PWM信號，經過單片機的分析處理輸出三路PWM信號分別控制紅、綠、藍三組LED燈具的亮度，從而可以達到調節亮度、色彩以及色溫的目的。

4 應用和前景

物聯網技術日益發展，智能家居與物聯網應用息息相關，相關應用層出不窮。作為智能家居的一部分，照明與人們生活息息相關，其中如何對照明系統進行更人性化、智能化的控制也成為了智能家居中舉足輕重的一部分，智慧情景照明系統應運而生。目前，智慧生活逐漸與人和環境相結合，隨著“互聯網”時代的到來，智慧情景照明系統智慧化、信息化、人性化、綠色化已成為未來發展的必然趨勢。此系統不但綠色環保，節約能源，還可以提升城市的形象、美化居室環境，給人們提供更加安全和舒適的照明。

5 結語

基于生物信息反饋的智慧情景照明系統最大的創新點就是將照明和人與環境相結合。擁有自動亮滅、明暗調節、情景照明、生理控制、健康預警、時間提醒等多項功能。硬件和軟件設計都新穎實用，電力載波技術和藍牙技術等技術也都合理運用，根據信息采集模塊采集的生理信號（心電、血氧、脈搏等）、紅外信號以及光強信號，利用終端控制器對LED進行控制，改變燈光以符合人們隨時的需求，在創造舒適健康環境的同時還能節能環保，真正實現因“你”而亮。生物信息反饋的智慧情景照明系統還有很多正在發掘的優點和潛力，如可以廣泛用于長期有老人生活的家庭等。

參考文獻：

[1] 姜亞南，楊帥，魏天勇.基于電力線通信技術的城市路燈節能監控系統[J].電源技術應用，2011（07）：39-42.

[2] 易平波，朱良學，劉志英.國內電力線載波數傳模塊的研發分析[J].電子科技，2009，22（02）：55-59.

[3] 王振朝，郭偉東，王伊瑾.基于電力線載波通信技術的抄表通信模塊設計[J].電測與儀表，2009，46（03）：72-76.

[4] 葉瑋瓊，余永權，劉志煌.智能家居電力線總線研究與實現[J].微計算機信息，2008，24（03）：305-307.

[5] 王斌，蘭用，劉學鵬.網絡家電技術的發展現狀和展望[J].電子技術應用，2006（07）：1-5.

[6] 高小平.中國智能家居的現狀及發展趨勢[J].低壓電器，2005（04）：18-21.

[7] 馮蓉珍.基于電力載波通信的遠程路燈監控系統設計[J].電力系統通信，2010（10）：65-69.