基于生物信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)

殷 瑤 楊倩茹 龔梽瑋 王岫鑫

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

1 研究目的及意義

為了滿足人們?nèi)粘５恼彰餍枨蟮耐瑫r還要做到電能的節(jié)約，本系統(tǒng)在保持原有電力布局的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了個性化的設(shè)置。本系統(tǒng)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(tǒng)還可以對人體不健康的狀況予以示警。這樣的照明系統(tǒng)能夠更好的為人類的生活提供便利。

本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點就是將照明和人與環(huán)境相結(jié)合[1]，真正實現(xiàn)因“你”而亮，“你”指的是人和環(huán)境。它不需要你手動操作，而是根據(jù)生理信號和周圍的環(huán)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(huán)境。

2 功能分析

現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的產(chǎn)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(fā)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(tǒng)具有以下幾個功能：自動亮滅、明暗調(diào)節(jié)、情景照明、生理控制、健康預(yù)警、時間提醒。

3 內(nèi)容與技術(shù)

3.1 硬件

系統(tǒng)主要是由信息采集模塊、藍牙模塊、集中控制器（EEC）、LED 驅(qū)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(fā)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(fā)出控制信號。其中，發(fā)送端與接收端之間采用電力載波通信技術(shù)[4]實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)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(yīng)的PWM 信號；LED 驅(qū)動模塊根據(jù)PWM 信號[5]判斷是否點亮或調(diào)節(jié)各路LED 燈的亮度，從而可以達到調(diào)節(jié)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。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

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(fā)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(guān)電路進行5V 到3.3V 穩(wěn)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(guān)電路組成。衡量傳感器好壞的一大標(biāo)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(tǒng)的紅外光來提高反射率。現(xiàn)多應(yīng)用于可穿戴式心率傳感器、運動心率儀等。最后藍牙發(fā)送電路主要是cc2540 芯片及相關(guān)電路組成，用于將采集到的心率、脈搏信號發(fā)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(dǎo)體制造商ROHM 為適應(yīng)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(fā)出的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性的數(shù)字環(huán)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(huán)境明暗程度如何它都類似于人類視覺對亮度的感應(yīng)機制，能夠進行大范圍的亮度測定。

3.1.3 人體感應(yīng)傳感器模塊

人體感應(yīng)傳感器選擇的是型號為HC-SR501 人體感應(yīng)模塊[7]，它是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778 探頭設(shè)計，具有靈敏度高、可靠性強等優(yōu)點。感應(yīng)模塊有三個引腳，即電源、地和輸出引腳。經(jīng)過反復(fù)實驗，在一個辦公室中如果有人，但200 秒之內(nèi)都沒有人有動作，導(dǎo)致感應(yīng)模塊輸出低電平的情況基本不會發(fā)生，所以將延時時間調(diào)到最大就可以滿足監(jiān)測要求。同時，將感應(yīng)距離調(diào)節(jié)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(jiān)測狀態(tài)。

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(shè)計而成。MI200E 是一款高性能的高集成數(shù)模混合載波通信芯片，專門針對低壓電力線進行優(yōu)化設(shè)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(nèi)置開關(guān)電容帶通濾波器(BPF)內(nèi)置數(shù)字功率放大器(DPA)、內(nèi)置CRC-16 硬件校驗電路、可適用于不同環(huán)境的傳輸速率、可變擴頻增益等，采用SOP24 封裝。現(xiàn)芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于路燈控制系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、路燈控制系統(tǒng)等方面。

3.2 軟件

集中控制器軟件設(shè)計、接收終端軟件設(shè)計是軟件設(shè)計中兩個主要的部分。兩個部分都需要先初始化設(shè)備。首先是接收終端軟件設(shè)計，采集的生物信號在集中控制器中經(jīng)過解析譯碼處理后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號向各個支路廣播信息，軟件會根據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)位、輸出PWM 信號，經(jīng)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(diào)節(jié)亮度、色彩以及色溫的目的。

4 應(yīng)用和前景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益發(fā)展，智能家居與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用息息相關(guān)，相關(guān)應(yīng)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(guān)，其中如何對照明系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)運而生。目前，智慧生活逐漸與人和環(huán)境相結(jié)合，隨著“互聯(lián)網(wǎng)”時代的到來，智慧情景照明系統(tǒng)智慧化、信息化、人性化、綠色化已成為未來發(fā)展的必然趨勢。此系統(tǒng)不但綠色環(huán)保，節(jié)約能源，還可以提升城市的形象、美化居室環(huán)境，給人們提供更加安全和舒適的照明。

5 結(jié)語

基于生物信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點就是將照明和人與環(huán)境相結(jié)合。擁有自動亮滅、明暗調(diào)節(jié)、情景照明、生理控制、健康預(yù)警、時間提醒等多項功能。硬件和軟件設(shè)計都新穎實用，電力載波技術(shù)和藍牙技術(shù)等技術(shù)也都合理運用，根據(jù)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(chuàng)造舒適健康環(huán)境的同時還能節(jié)能環(huán)保，真正實現(xiàn)因“你”而亮。生物信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)還有很多正在發(fā)掘的優(yōu)點和潛力，如可以廣泛用于長期有老人生活的家庭等。