人性化家居照明設計

摘 要：近年來科技水平快速發展，諸多產品向智能化發展。電燈是家家戶戶最常用的家用電器，為了使人們能夠體驗更加方便和智能的生活，享受科技發展的便利，設計了一種新型的智能家居照明系統。該系統兼具智能化和人性化，不僅能夠改善人們的生活質量，還能節能環保，延長燈具壽命，可成為同類項目提供參考。

關鍵詞：智能家居照明; PWM控制; 健康工作和休息; 智能化; 人性化

中圖分類號： TU88

文獻標志碼： B

文章編號： 1674-8417（2024）11-0023-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.005

0 引 言

智能照明是指利用物聯網技術、有線和無線通信技術、電力載波通信技術、嵌入式計算機智能信息處理技術以及由分布式照明控制系統組成的節能控制技術，實現照明設備的智能控制［1-3］。該系統不僅可以根據語音或遙控控制燈光的顏色和亮度，還可以根據用戶說話時的關鍵詞來判斷其情緒狀態，以此調節燈光的氛圍。有語音交互功能的燈具，不僅可以用來與人交流，還可以用來播放音頻，構建三維音效。智能系統可以記錄用戶的作息時間、提前調光或照明，營造入睡或起床的氛圍。如果用戶熬夜，它會自動調整健康時間表，提醒用戶及時入睡，此外，如果此時有重要的事情，智能照明可以自動調整燈光。當人們生活在這種人性化、智能化的家居燈光環境中時，可以提高掌控情緒的能力。當人們有不同的需求時，燈光會進行主動調整，這對人們的睡眠質量和健康有很大幫助［4-6］。為了讓照明更好地服務于人們，本文提出了家居照明的創意設計，從主要功能、LED燈選取和系統優缺點分析3個方面介紹該智能照明系統設計。

1 主要功能

1.1 日常生活照明

人們可以通過本地控制或遠程控制來開關燈，如客廳會客、書房閱讀和辦公、臥室休息、廚房烹飪、樓梯感應燈和其他房間。可以通過手機軟件控制各個區域的燈光。不管人們處在何處，不必擔心家里的燈有沒有關閉，僅需通過手機后臺查看，就可以輕松地查看和控制整個房間的照明。

1.2 情緒照顧

該部分功能主要通過語音交互實現。如當一個人回到家時，他打電話給他最好的朋友，抱怨遇到的煩心事。此時，客廳的智能照明系統會捕捉這些關鍵詞，比如“不開心”或“吵架”，然后智能照明系統會按照事先編輯好的程序，調整燈光，發出柔和的燈光，使環境變得更加溫和。同時，還將與互聯網連接，并播放選定音樂，讓用戶的心情快速平靜下來。當人們感到快樂時，就會觸發“快樂”或“幸福”等特殊的關鍵詞，燈光會變得更亮，歌曲的旋律也會更輕快。該功能也可以在客戶端控制，用戶可以設置開始時間、關閉或調整關鍵字，更改歌曲列表等［7-8］。

1.3 健康作息系統

現在人們的作息越來越不規律，熬夜已經成為一種普遍現象，這可能會導致睡眠質量越來越差，最終可能形成惡性循環。LED燈的健康工作和休息系統將改善這種現象。例如，當用戶將睡眠時間設置為從23∶00至第二天7∶00時，燈光將在22∶45變暗，主燈將熄滅，小夜燈將點亮，創造出一個靜謐環境，提醒主人該睡覺了。如果用戶長時間沒有睡覺，LED燈健康系統會發出聲音提醒。

健康系統還將了解人們的日常工作和休息習慣。如小憩、工作日和周末睡眠時間的差異，它會自主簡單地調整時間。這種學習是基于手動關燈的時間記錄來分析大數據，并使用線性回歸來獲得合理的時間曲線。當用戶需要調整時差時，該健康系統可以根據個人特點模擬特定時間的室內亮度，從而更好地起到輔助作用。

2 照明系統

2.1 控制系統

控制系統采用STC89C51作為主控芯片，通過其外部接口與其他外部模塊相連。主要包括Wi-Fi無線模塊、語音模塊、顯示模塊和電源控制模塊。每個模塊都可以通過主控模塊有效地完成接收外部信號和檢測信號任務，然后將它們傳輸到其他模塊進行工作，形成閉環反饋系統，可以根據LED智能照明控制系統說明書有效地控制光線。

可以分為本地控制和遠程控制。本地控制通過開關、語音識別模塊等，實現照明的精準控制，這種控制方式適用于近距離或者不熟悉智能控制的應用場景。遠程控制結合軟件與Wi-Fi模塊下發控制信號，實現精準控制，這種控制方式適用于遠距離應用場景。

2.2 實施方式

借助串行通信，當STC89C51檢測到Wi-Fi串行端口接收數據時，移動終端設備可以通過ESP8266的Wi-Fi模塊發送監控數據來控制LED燈。亮度調節功能采用PWM調光技術，通過調節占空比來調節單色光。LED燈發光調光均采用紅、黃、藍3種LED的混合調光技術和PWM調光技術，調節3種光的占空比，實現多種顏色和色溫的變化。在完成第一次控制后，STC89C51繼續監視Wi-Fi模塊的串行數據，等待下一個命令的到來［9］。

2.3 Wi-Fi模塊選取

由于單片機與模塊之間采用串行通信，晶體頻率為9 600 Hz，電源工作電壓為直流3.5 V，本系統設計方案選用ESP8266模塊，該Wi-Fi模塊可以借助串行通信實現數據連接到無線網絡，接收指令以及向MCU發送指令的功能。該模塊在市面上應用較廣，相對成熟且成本較低。

2.4 語音交互模塊選取

本設計方案選取LD3320語音識別模塊。該模塊可用于語音交互和語音控制，且非常成熟和方便，具有很強的嵌入性和實用性。它有16個I/O接口，一個串行端口和其他用于接收和發送數據的微控制器，其供電電壓為5 V，I/O端口可輸出3.3 V的高電平［10］。

智能照明控制系統包括終端節點、控制中心及移動終端。這3個部分環環相扣，密不可分。其中，終端節點包括調節燈光亮度的PWM驅動器和可以接收控制中心命令的無線通信電路，這一部分是最終的控制變量，功能可等效為人手。控制中心包括電路、與終端節點的無線通信，以及與移動終端的藍牙通信。移動終端主要指手機等操作器上的App，命令通過移動終端的App發送到控制中心，控制中心通過藍牙接收命令，并將該信息通過無線通信發送到終端節點，從而實現移動設備控制燈光開關、亮或暗的調節功能。控制中心部分和移動終端部分類似于人腦，結合實時場景下發控制指令給到終端節點部分。系統結構框圖如圖1所示。

2.5 LED燈具選取

智能化的室內照明將使人們的生活更加舒適和便捷。相反，濫用燈光會導致身體和心理的亞健康，使人出現緊張、抑郁、疲勞等。因此，照明設備的選擇決定了照明環境的安全性和舒適性。對于LED燈具的選取，首先應符合國家通用照明LED燈具標準，其次再考慮其美觀與否，是否符合用戶要求。有些燈具可以直接使用，并通過控制電流的大小，簡單地調整亮度，燈光顏色可以是黃色和白色。

國內某大學的研究人員就人們對不同顏色、色溫和光源的視覺偏好進行了大量實驗。實驗結果表明，彩色調室內照明環境比中性調室內照明更舒適和健康。其中，人們最舒適的彩色調房間是4 000 K的照明場景，而最滿意的中性色調房間是2 700 K的照明場景［11］。

此外，也應該考慮光的頻閃問題。國內某大學的研究人員研究了光源頻閃對人體健康的影響。研究結果表明，光源的視覺效果不僅會嚴重影響人們的心理、情感甚至生理機能，還會對人們的睡眠和注意力產生巨大的負面影響［12］。

2.6 主程序設計

本設計方案首先選用C語言作為程序語言。該程序易于理解和檢查，并且具有添加操作等后續功能。它可以有效地解決許多數據問題。當程序運行時，需要初始化主程序，輸出定時I/O端口以驅動語音模塊交換信息并將數據發送到Wi-Fi模塊。

2.7 控制信號的傳輸方式

本設計方案選用X-10傳輸母線，它利用現有的電力線來控制家中的電子和電氣產品。這也是國外最早流行的智能家庭網絡系統。X-10傳輸母線是以60 Hz（或50 Hz）為載波，120 kHz脈沖為調制波而發展起來的數字控制技術。利用商用電源正弦信號的過零點進行信號傳輸，從調光控制箱引出3路，分別與調光段LED定律相連，分別標記為X-10-a通道、X-10-b通道和X-10-c通道。調光控制信號傳輸模式框圖如圖2所示。

3 系統優缺點分析

3.1 優 點

（1） 日常照明智能化。智能照明系統能夠實現一鍵控制和自動化管理，可借助手機實時查看和控制房間內所有的燈光，根據不同的情景模式自動切換照明，提供方便快捷的照明控制體驗。

（2） 提高生活質量。智能照明系統可以借助語音交互感知情緒，實時調節燈光色調，使人感到溫馨舒適。智能照明系統能夠學習人的日常工作和休息習慣，自主調整開關燈時間，使人們作息更規律，睡眠質量更高。

（3） 節能環保。智能照明系統能夠智能調節燈光亮度，充分利用自然光，有效節約電能，減少電費支出，同時有助于減少環境污染。

（4） 延長燈具壽命。智能照明系統通過智能調光技術，減少電壓波動對燈具的損害，從而延長燈具的使用壽命。此外，智能照明系統能夠在無人使用時自動關閉或調暗燈光，減少因長時間工作而造成的損害。

（5） 提高管理水平。智能照明系統采用總線式系統，安裝時無須考慮復雜的控制關系，節省線纜和人工費用，且有助于集中管理照明設備，減少人為浪費，提高整體的管理水平。

3.2 缺 點

（1） 該LED燈健康系統僅用作輔助，具體實施取決于用戶是否主觀地想要進行健康的工作和休息，如果用戶手動關閉此功能，此功能將失效。

（2） 當用戶打開該功能時，可能會無意中觸發關鍵字并更改燈光［13］。

（3） 目前智能照明行業仍處于不平衡的發展階段。然而，終端設備的發展和技術還不成熟，這讓許多消費者不敢購買，商家也不敢輕易推廣。

（4） 一個好的產品需要有市場，需要得到消費者的喜愛，產品的兼容性也會影響消費者的購買熱情。因此，需要對這一行業進行更為具體的監管，以及互聯網企業和照明企業之間進行更好的合作和互利，最大限度地實現技術和信息共享。

（5） 智能照明的布線和布局相對復雜，會給后期維護帶來一定的麻煩，未來有必要對電路進行簡化和集成。

4 結 語

本文提出了一種新的智能化照明方案，描述了LED燈健康控制系統及其主要功能，實現了家居照明的人性化智能調節。目前，傳統的智能家居照明存在較強的局限性，僅僅用遙控器、手機等設備做控制，或采用語音實現簡單的切換，已經不能滿足人們對“智能”這個詞的理解和需求。本文設計了一種理想化的智能健康照明系統，旨在為人們提供一種新的智能理念，在注重工作的同時，提高人們家庭生活的舒適性，保證人們的身體健康和心理健康。

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Humanized Home Lighting Design

Abstract：

In recent years，the level of science and technology has developed rapidly，and many products have developed towards intelligence.Electric light is the most commonly used household appliances in every household，in order to enable people to experience a more convenient and more intelligent life，enjoy the convenience of scientific and technological development，the author has designed a new type of smart home lighting system.It is both intelligent and humanized，which can not only improve people’s quality of life，but also save energy and environmental protection，prolong the life of lamps and lanterns，and it can provide reference for similar projects.

Key words：

smart home lighting; PWM control; healthy work and rest; intelligence; humanization