基于FPGA的智能臺燈設(shè)計

張皎，趙海靜，趙若彤，郎如靜

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安，710049

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，多種多樣的智能電器漸漸走進(jìn)了人們的視野。智能家居是互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展背景下的代表產(chǎn)物，同時也是社會科技水平進(jìn)步的重要標(biāo)志[1]。臺燈作為我們每家每戶基本都有的一個電器，常常方便我們的生活[2]。普通臺燈因光線單一且無法自動適應(yīng)周圍環(huán)境的光照度、不能實現(xiàn)人來開燈、人走關(guān)燈的節(jié)能需求以及無法集合其他產(chǎn)品功能占用空間大等問題，不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對智能家居的要求。特別是對青少年而言，由于學(xué)習(xí)需要較長用眼時間，青少年近視比例也越來越高，更需要一款可以保護(hù)青少年視力的多功能智能臺燈[3]。

1 設(shè)計方案

總體設(shè)計：該系統(tǒng)分為8大功能模塊，系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

本系統(tǒng)由光照度檢測模塊、紅外測距采集模塊、人體（紅外）感應(yīng)模塊組成，通過自動燈光調(diào)節(jié)模塊或手動調(diào)節(jié)模塊來調(diào)控?zé)艄狻．?dāng)測得距離小于設(shè)定閾值時，控制模塊將調(diào)用語音模塊數(shù)據(jù)觸發(fā)蜂鳴器報警。在數(shù)字鐘模塊下，可以設(shè)定開關(guān)燈時間和鬧鐘時間。而控制核心則由FPGA（EGO1）開發(fā)板完成對系統(tǒng)多路采集信號進(jìn)行調(diào)控。

1.1 硬件設(shè)計方案

（1）FPGA控制模塊。該模塊選擇美國賽靈思公司的EGO1開發(fā)板為主控芯片。該平臺板載Xilinx 28nm工藝的Artix-7系列FPGA芯片，外圍連接有LED燈、撥碼開關(guān)、七段數(shù)碼管、按鍵等基本接口；以及VGA、音頻和藍(lán)牙等接口；此外該平臺還具有板載AD/DA模塊以及豐富的I/O擴(kuò)展接口，可以滿足學(xué)生及廣大初學(xué)者自主學(xué)習(xí)FPGA編程。

（2）光照度檢測模塊。該模塊采用深圳大陸勝公司的GY-302 BH1750FVI光強(qiáng)度傳感器（圖2）。該集成電路支持iic通訊，輸出信號為數(shù)字式。可對環(huán)境中的光照度進(jìn)行精度為1勒克斯單位的精準(zhǔn)測定，從而保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。FPGA采樣控制模塊掃描時間設(shè)定為300毫秒，即每隔300毫秒進(jìn)行一次外部環(huán)境光強(qiáng)的測定，并根據(jù)光強(qiáng)變化實時調(diào)整LED燈的亮度檔位，實現(xiàn)黑暗環(huán)境中燈亮，明亮環(huán)境中燈滅的要求。接線引腳如表1所示。

圖2 光照度檢測模塊

表1 光照度檢測模塊引腳圖

（3）紅外測距模塊。本系統(tǒng)紅外測距采用深圳夏普公司型號為GP2Y0A21YK0F這一款紅外測距傳感器（圖3）。此集成電路可測量的距離范圍是10～80cm，也可通過設(shè)置程序內(nèi)的參數(shù)值自主調(diào)節(jié)感應(yīng)距離。該模塊輸出為模擬量，即輸出與檢測距離相對應(yīng)的電壓。在設(shè)計時，只需要將高低電壓控制在合理水平區(qū)間，當(dāng)檢測到人體與傳感器之間距離在傳感器檢測范圍內(nèi)時，便會向主控芯片發(fā)送高電平；當(dāng)人體與臺燈之間距離小于設(shè)定的閾值時，則會自動觸發(fā)語音提醒，以達(dá)到糾正用戶不良坐姿的目的。

圖3 紅外探測模塊

（4）人體感應(yīng)模塊。同上，該模塊也采用紅外測距傳感器。當(dāng)人體與裝有紅外測距傳感器的臺燈距離超出傳感器的檢測范圍時，此時因為傳感器檢測不到有效信號，則會觸發(fā)輸出低電平，促使亮著的臺燈自動斷電；反之，則觸發(fā)輸出電平為高，點亮臺燈。最終實現(xiàn)臺燈的節(jié)能環(huán)保功能。

（5）手動控制模塊。該模塊采用EGO1開發(fā)板上自帶按鍵來完成。其中，Key1鍵為自動/手動模式切換鍵。Key2按鍵負(fù)責(zé)調(diào)亮光照度兼?zhèn)溟_燈功能，Key3按鍵負(fù)責(zé)減弱光照度，直至關(guān)燈[4]。

（6）燈光調(diào)節(jié)模塊。該模塊由12個LED燈分成四檔構(gòu)成。從第一檔到第四檔分別有0個、4個、8個和12個LED。自動模式下，EGO1開發(fā)板從P1.6口輸出并通過PNP型三極管驅(qū)動LED燈。并通過分別控制每一檔LED燈的亮滅達(dá)到提供合適的光照度目的。手動模式下，亮度每增加一個等級，則多點亮一檔LED燈；亮度減鍵為亮度每減一個等級，即關(guān)閉一檔LED燈。

（7）提示報警模塊。該模塊設(shè)計思路：先將要播報的內(nèi)容存儲在JQ8900-16P語音播報模塊中（圖4），在紅外測距觸發(fā)距離閾值判斷后，從存儲中讀取響應(yīng)語音地址，觸發(fā)功放及喇叭發(fā)出相應(yīng)提示語音。在距離設(shè)定時間的前5分鐘，則從存儲中讀取響應(yīng)語音地址，觸發(fā)功放及喇叭發(fā)出相應(yīng)設(shè)定時間到的提示語音。

圖4 語音播報模塊

表2 引腳配置圖

（8）數(shù)字鐘模塊。該模塊模擬鐘表進(jìn)行24小時循環(huán)計數(shù)，用戶可通過EGO1開發(fā)板上按鍵自定義傳感器開始掃描和結(jié)束掃描的時間，即實現(xiàn)智能臺燈的定時開啟與關(guān)閉功能。

1.2 軟件設(shè)計方案

軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計方法，根據(jù)系統(tǒng)各功能分析可以得到主程序流程圖，如圖5所示[3]。其中，系統(tǒng)初始化后，首先進(jìn)入亮度自動調(diào)節(jié)模式，此時也可通過按鍵K1進(jìn)行自動/手動模式切換操作[3]。當(dāng)預(yù)先設(shè)置的模式標(biāo)志位（Mode）為低電平時，此時系統(tǒng)為手動調(diào)節(jié)光照度模式，即執(zhí)行手動控制子程序；反之，當(dāng)模式標(biāo)志位為高電平時，則為自動調(diào)節(jié)光照度模式，即執(zhí)行亮度自動調(diào)節(jié)子程序。之后再進(jìn)行語音判斷子程序。在語音判斷子程序中，依據(jù)紅外測距傳感器采集人與傳感器之間距離值進(jìn)行判斷，若離桌面距離過近或當(dāng)預(yù)設(shè)關(guān)燈時間倒計時器為零時，則觸發(fā)播放相應(yīng)語音提示音。在手動調(diào)節(jié)光照度子程序中，當(dāng)按下光照度增加（K2）按鍵時，若光照度等級此時并不為最低級時，則光照度等級依次遞減一級，否則，則保持現(xiàn)光照度等級不變；當(dāng)按下光照度減少（K3）鍵時，若光照度等級此時并不是最高級，則光照度等級依次增加一級，否則仍保持原光照度等級不變。

圖5 系統(tǒng)主流程圖

因自動亮度調(diào)節(jié)子程序為本系統(tǒng)設(shè)計的難點和重點，故在此詳細(xì)闡述其設(shè)計過程。自動亮度調(diào)節(jié)子程序的流程如圖6所示：先設(shè)置一個模式標(biāo)志位（Mode），當(dāng)模式標(biāo)志位為1時，此時系統(tǒng)工作在自動調(diào)節(jié)模式下；若在倒計時300秒內(nèi)人體與紅外傳感器距離大于傳感器最大檢測范圍，則觸發(fā)倒計時器清0動作，之后執(zhí)行光照度值采集子函數(shù)，根據(jù)計算出的光照度值與設(shè)定光強(qiáng)值范圍相比較，依此獲得相應(yīng)照明模式；若倒計時300秒內(nèi)檢測到的人體距離大于傳感器最大檢測范圍，此時則設(shè)置照明模式為照明關(guān)閉狀態(tài)。具體設(shè)定參數(shù)如下：

圖6 亮度調(diào)節(jié)子程序

光強(qiáng)低于10lx——照明模式三；

光強(qiáng)高于10lx低于300lx——照明模式二；

光強(qiáng)高于300lx低于500lx——照明模式一；

光強(qiáng)高于500lx——照明關(guān)閉。

具體實現(xiàn)程序如圖7和圖8所示。

圖7 自動亮度調(diào)節(jié)判斷子函數(shù)

圖8 光照度檢測控制子函數(shù)

2 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)設(shè)計完成后，先在Vivado平臺進(jìn)行了時序仿真。之后又對各模塊及系統(tǒng)總體進(jìn)行了調(diào)試操作。在系統(tǒng)初始化后，當(dāng)有人接近臺燈時，系統(tǒng)會自動檢測有否有人體活動，同時啟動自動工作模式[5]。當(dāng)外界光照度低于設(shè)定閾值且檢測人體與傳感器的距離在傳感器的檢測范圍之內(nèi)時，檢測時用串口調(diào)試器讀取光照度傳感器傳輸數(shù)值（圖9），檢驗傳感器檢測數(shù)據(jù)是否正確及程序是否讀取傳感器數(shù)據(jù)；當(dāng)檢測到人體在檢測范圍內(nèi)又或者在設(shè)定開/關(guān)燈時間內(nèi)，對臺燈自動點亮進(jìn)行測試（圖10）。另外，還對系統(tǒng)照明模式、按鍵手/自動模式切換（圖11）、語音模塊等功能模塊分別進(jìn)行了多次測試，功能符合要求。實踐證明該系統(tǒng)設(shè)計合理且達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖9 串口調(diào)試光照度

圖10 定時開機(jī)測試

圖11 開關(guān)手動模式測試

3 結(jié)語

本設(shè)計在總結(jié)一般單一功能臺燈缺點的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了以FPGA（EGO1）開發(fā)板為控制核心主板的多功能智能臺燈系統(tǒng)。通過光照度傳感器，使臺燈能依據(jù)實際環(huán)境給出最適宜的光照、語音姿勢提醒、手動/自動模式切換等。這些功能模塊均可為用戶提供更便利、更舒適的體驗。而自動調(diào)節(jié)光照度與手動調(diào)節(jié)光照度雙模式選擇下的系統(tǒng)，則可人為或自動調(diào)節(jié)光線，使用戶多了一種選擇。在預(yù)防青少年近視及駝背等不良坐姿方面，本系統(tǒng)通過語音預(yù)警模塊進(jìn)行了通過語音干預(yù)提示的嘗試。該系統(tǒng)設(shè)計合理且集成數(shù)字鐘功能，又因其控制方式可自選，為用戶提供了便利，基本實現(xiàn)了臺燈的智能化控制。今后可在此設(shè)計基礎(chǔ)之上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)或通過藍(lán)牙技術(shù)在智能設(shè)備上對臺燈進(jìn)行操控，也可以結(jié)合語音識別等相關(guān)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的功能提升。本文對智能臺燈更高級的智能化控制有借鑒意義。