智能照明系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)器設(shè)計

0 引 言

我國照明用電量占總用電量的 10% ～ 12%，照明節(jié)能的潛力巨大 [1]。在人員密集的辦公樓、寫字樓等對照明的質(zhì)量要求也越來越高，且辦公寫字樓照明已不再是簡單地通過增加照明燈具的方式來提高照明的舒適度 [2]。而使用適當(dāng)?shù)?/span>照明控制技術(shù)不僅能提高人眼的舒適性，還能降低能耗。因 此，近年來智能照明的控制受到了廣泛的關(guān)注，尤其是在空間和時間的范圍內(nèi)基于自適應(yīng)人工照明控制領(lǐng)域 [3-5]。研究表明，不同的用戶可能需要不同程度的照明，不僅可以提高用戶滿意度，還能提高工作效率。隨著科技的發(fā)展，手機已成為人人必備的工具，若將當(dāng)下成熟的智能手機技術(shù)及人工智能領(lǐng)域方面的技術(shù)相結(jié)合用于智能照明系統(tǒng)的開發(fā)，就可避免傳統(tǒng)照明在開發(fā)時對面板的過度依賴。本文在當(dāng)下人工智能等研究背景下，提出并設(shè)計了一款智能照明動態(tài)調(diào)節(jié)器。

1 設(shè)計流程

1.1 智能照明動態(tài)調(diào)節(jié)器設(shè)計

本設(shè)計是以單片機為核心，用手機作為上位機，以單片機最小系統(tǒng)與藍牙模塊作為下位機，通過將單片機藍牙和手機藍牙相連接，手機發(fā)送指令來控制藍牙模塊，實現(xiàn)對燈具亮度的控制。手機與單片機在藍牙通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，能夠構(gòu)成一個共享信息的網(wǎng)絡(luò)。就功能分析，智能照明系統(tǒng)有4 個主要模塊 ：藍牙模塊型號為 BT06 ；燈光模塊采用不同的 LED 燈 ；電源模塊采用 5 V 直流電供電 ；單片機模塊選用 STC89C52 單片機。系統(tǒng)主要分為兩部分 ：遠程控制部分Android 手機終端和功能部分智能控制終端。Android 手機將藍牙 API 接口從上位機程序調(diào)用，控制內(nèi)部藍牙設(shè)備，以執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。本設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。其中單片機最小系統(tǒng)、晶振電路、復(fù)位電路等不贅述，在此僅對基于 PWM 的 LED 燈的調(diào)光設(shè)計及其原理、藍牙通信模塊、APP 手機藍牙客戶端的設(shè)計進行詳細闡述。

1.2 LED 燈調(diào)光設(shè)計及其原理

PWM 脈沖信號由單片機引腳產(chǎn)生，當(dāng)引腳為高電平時，LED 燈亮，當(dāng)引腳為低電平時，LED 燈滅 ；定時器 T0 溢出中斷設(shè)置為 1/1 000 s，每 10 個脈沖為一個周期 [6]（頻率為100 Hz）。為了保證LED燈亮度足夠亮，如果是串聯(lián)電阻的話，可能 LED 亮度不夠，無法直觀地看到亮度的變化，導(dǎo)致操作不明顯。為了保證 LED 燈亮度足夠亮，需要用到降壓芯片，使電壓降到 3.3 V 與 LED 燈驅(qū)動電路相連接。圖 2 為降壓芯片，低電平導(dǎo)通，高電平段接降壓芯片后的 3.3 V 電壓。 圖 3 為 LED 燈驅(qū)動控制電路 [7-8]。

1.3 藍牙通信模塊

對于系統(tǒng)藍牙通信模塊而言，其重點是實現(xiàn)手機藍牙指令的接收和與單片機的直接數(shù)據(jù)通信。智能照明藍牙通信系統(tǒng)包含以下兩部分。 

（1）手機藍牙端用來對智能照明藍牙接收端發(fā)送 A，B， C，D 指令，分別代表控制燈具的開啟、關(guān)閉、亮度 + 與亮度 -。其中，亮度 + 和亮度 - 是連續(xù)可調(diào)，滿足用戶個性化的照明。 

（2）主程序主要是在單片機的控制下，對藍牙模塊輸入的信息進行存儲分析，控制 LED 驅(qū)動電路，以達到控制燈具的目的。單片機定時讀取藍牙模塊的串口數(shù)據(jù)，若串口數(shù)據(jù)被讀出，則對數(shù)據(jù)進行分析。

1.4 APP 手機藍牙客戶端的設(shè)計

智能照明系統(tǒng)藍牙端 APP 是基于 Android Studio 軟件第三方開發(fā)平臺而設(shè)計。Android Studio 具有許多非常高效的特性，如 ：集成 Gradle 的打包工具 ；效果簡潔可視化 ；可以拖拽的 UI 操作 ；代碼自動補全等 [9-10]。該軟件適應(yīng)于沒有計機 APP 專業(yè)知識的用戶，基于此平臺可進行智能照明手機控制端 APP 項目的開發(fā)。因此本文選擇 Android Studio 軟件開發(fā)平臺開發(fā)安卓 APP，在一定程度上簡化了開發(fā)者的工作量與 APP 開發(fā)的難度。智能照明 APP 開發(fā)界面如圖 4 所示。智能照明 APP 控制界面如圖 5 所示。

首先連接藍牙按鍵與智能照明系統(tǒng)的藍牙接收端，當(dāng)手機藍牙的客戶端與照明系統(tǒng)藍牙的服務(wù)端模塊確認連接后，用戶即可通過圖 5 所示的 APP 控制界面的打開、關(guān)閉、亮度 +、亮度 - 等指令分別控制 LED 燈具的亮、滅及亮度連續(xù)調(diào)節(jié)等，滿足用戶的個性化需求。

2 結(jié)果分析

本文設(shè)計的智能照明系統(tǒng)能以手機控制平臺、藍牙通信模塊、單片機控制模塊及電機驅(qū)動模塊等硬件模塊，實現(xiàn)照明燈具的亮、滅及亮度連續(xù)調(diào)節(jié)等功能，且功能容易實現(xiàn)并能激發(fā)開發(fā)者的興趣。本文以 4 組燈具作為案例，界面分為 4 組 LED，通道號上方為 LED 當(dāng)前亮度，通道號下方為 LED 開關(guān)指示燈，當(dāng)點擊“開”按鈕，指示燈亮起，物理系統(tǒng)中的 LED 燈珠工作，亮度適中，亮度顯示值為“128”。在 LED“開”的狀態(tài)下，亮度可調(diào)，物理系統(tǒng)LED 接受“亮度調(diào)節(jié)”控制，輸出對應(yīng)程度的光照。隨機選取某一工況下 APP 界面如圖 6 所示。

該智能照明系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)如圖 6 所示的功能， 該 APP 界面設(shè)置了調(diào)節(jié)按鈕和滑動桿，按鈕可實現(xiàn)亮度的微調(diào)，滑動桿可實現(xiàn)粗調(diào)。具體操作如下。 （1）亮度調(diào)節(jié)按鈕。當(dāng)點擊“+”，LED 亮度增加，每次自增 1，加至 255 后，一直保持，此時 LED 為最亮 ；當(dāng)點擊“-”，LED 亮度減弱，每次自減 1，減至 1 后，一直保持，此時 LED 為最暗。 （2）亮度滑動桿。點擊紅色拖動塊，拖動鼠標實現(xiàn)亮度快速調(diào)節(jié)，最大為 255，最小為 1。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的智能照明系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)器以 STC89C52 單片機為核心，通過藍牙通信控制 APP 和單片機，以 LED 燈為光源，運用 PWM 原理控制 LED 的亮度和開關(guān)狀態(tài)。結(jié)果表明，該智能照明動態(tài)調(diào)節(jié)器能夠迅速精準地管理燈具的亮度以及開關(guān)狀態(tài)，且成本低廉，具有良好的操作性 ；并且該智能照明系統(tǒng)融合了物聯(lián)網(wǎng)和智能家居產(chǎn)品的熱門技術(shù)，具有一定的科研價值。