劉熙昌 孔祥營 孫景明 單麗媛 陳劍雪

摘 要 Arduino是一款電子互動產(chǎn)品開發(fā)的軟硬件平臺。以Arduino單片機為基礎(chǔ)配置超聲波傳感器和溫度傳感器搭建智能照明系統(tǒng)，實現(xiàn)家用LED燈可以根據(jù)人體距離燈的遠近而自動調(diào)節(jié)燈光的亮度，并可根據(jù)環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)光的色彩。在日常家居生活中，此類智能照明系統(tǒng)既能使人們的生活更加舒適也可以有效地實現(xiàn)照明節(jié)能。

關(guān)鍵詞 Arduino單片機 智能照明 照明節(jié)能

中圖分類號：TU113.6 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.02.065

Design of the Intelligent Illumination System based on Arduino

LIU Xichang， KONG Xiangying， SUN Jingming， SHAN Liyuan， CHEN Jianxue

（College of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）

Abstract Arduino is a popular electronic interactive platform at present. Intelligent Illumination System is designed based on Arduino single chip， ultrasonic sensor and temperature sensor. Brightness of the LED lamp can be adjusted automatically according to the human body distance to the lamp， and also the environment temperature can tune the color of light accordingly. In the daily life， such intelligent illumination system can make people's life more comfortable and achieve the ilumination energy saving.

Key words Arduino single chip; intelligent illumination; illumination energy saving

0 引言

在電子設(shè)備和智能手機越來越普及的時代，智能家居的各種開發(fā)創(chuàng)意越來越受到重視。智能照明就是其中一個應(yīng)用價值比較大的切入點。而目前如飛利浦等智能照明成本過高，其高昂的成本和售價阻礙了產(chǎn)品的大規(guī)模推廣。同時，現(xiàn)代生活節(jié)奏快，壓力大，所以家居照明的調(diào)節(jié)情緒緩解壓力的作用也可以作為打開市場的試金石。

而Arduino是目前較為流行的一款電子互動產(chǎn)品開發(fā)平臺，此平臺由硬件和軟件兩部分組成，軟硬件都是開源的，任何人都可以在Arduino官方網(wǎng)站上獲取最新的PCB設(shè)計。在軟件方面，Arduino有自己的IDE軟件開發(fā)環(huán)境，采用類C++的高級開發(fā)語言，且有大量的庫函數(shù)支持，大大簡化了程序開發(fā)工作。鑒于 Arduino開發(fā)平臺的諸多優(yōu)點，本文基于Arduino單片機，以極低成本方式實現(xiàn)類似或者部分Hue系統(tǒng)的智能照明功能。甚至在某些特別功能設(shè)計的創(chuàng)新上，期望能夠不同于目前的Hue系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計

本智能照明系統(tǒng)中arduino功能擬設(shè)計為2層，模版配色功能及智能感知功能。

第一層次為簡單實現(xiàn)Hue系統(tǒng)的主要功能，即提供幾種固定的智能燈光配置，設(shè)想以2個LED燈泡為例，arduino以預(yù)設(shè)的調(diào)色方案去控制2個LED燈泡，比如家庭閱讀方案（亮黃、亮白組合）或者夜燈方案（弱白色為主）。

第二層次，在arduino上加裝超聲波傳感器，初定為US-100帶溫度補償?shù)某暡K，可以同時測距測溫。這樣可以實現(xiàn)arduino對人體的自動感知功能，該功能設(shè)計為夜間探測到人體后自動亮燈，并且隨著人體的走近逐步自動加亮LED燈，待夜間行動人體逐漸遠離LED燈時，arduino又會自動逐步減弱LED發(fā)光強度直至滅燈。

圖1 LED燈和超聲波傳感器連接示意圖

圖2 智能照明系統(tǒng)接線圖

在實現(xiàn)中，利用到了Arduino PWM來調(diào)節(jié)LED亮度。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，由于計算機不能輸出模擬電壓，只能輸出0V或5V的數(shù)字電壓值，可以通過使用高分辨率計數(shù)器，利用方波的占空比被調(diào)制的方法來對一個（下轉(zhuǎn)第152頁）（上接第132頁）具體的模擬信號的電平進行編碼。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。輸出的電壓值是通過通和斷的時間進行計算的。

在智能照明系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，涉及到arduino開發(fā)、LED燈光配置、超聲波探測開發(fā)，Arduino PWM 等知識和技能，在功能上初步實現(xiàn)了Hue系統(tǒng)的設(shè)想，并且在智能感知調(diào)光功能上有所創(chuàng)新（智能化、節(jié)能化），比目前的家庭燈光系統(tǒng)功能大為拓展，且成本極為低廉。

2 實驗過程

以C語言為基礎(chǔ)，通過查閱文獻進一步學(xué)習(xí)Ardunio 語言，在老師的幫助和小組成員的不懈努力下，項目成員對Arduino語言進行不斷的練習(xí)，并逐漸掌握了Arduino程序的編寫。

（1）調(diào)試一個簡單的程序使得LED燈正常發(fā)光。（2）在單片機上加一個超聲波測距模塊，將預(yù)調(diào)試成功的程序燒入單片機后，進行測試。起初燈光只可以根據(jù)人體的靠近而進行亮滅并不能漸變色彩，在大家細心地觀察分析下，發(fā)現(xiàn)其原因，進行重新實驗，從而實現(xiàn)了預(yù)設(shè)想，LED燈可以根據(jù)人體的靠近而變亮，且燈光逐漸增強，并隨人體的遠離而熄滅。（3）在超聲波調(diào)控的基礎(chǔ)上，又在arduino上加裝紅外傳感器，初定為D-SUN的人體熱釋電紅外傳感器，通過紅外感測運動人體的存在。當感知到運動物體的存在時，相應(yīng)的指示燈就會變亮?？梢栽诓煌奈恢冒惭b多個紅外傳感器，通過觀察相應(yīng)指示燈，就可以知道運動物體的位置。紅外傳感器是我們整個實驗中基本來說最難的一部分，很多地方都是經(jīng)過大量的調(diào)試，查閱許多的資料后才弄清楚到底是怎么一回事。在不斷的編程調(diào)試運行、檢驗后，最終將智能照明系統(tǒng)制作出來。

在經(jīng)過4個月的學(xué)習(xí)研究后，創(chuàng)新項目取得了一些成果，初步完成基于Arduino單片機的智能照明系統(tǒng)。作為進入大學(xué)首次接觸電子創(chuàng)新項目的大學(xué)生來說，這既是一次學(xué)習(xí)生活的經(jīng)歷，又是我們在創(chuàng)新科研道路上的一次飛躍。

在起初的材料搜集整理中，由于大家對這方面的知識不是特別熟悉，不免出現(xiàn)精力不集中甚至煩躁的情緒，但是大家彼此鼓勵一步步克服困難走了下來。在這次創(chuàng)新項目中，項目成員有著明確的分工，硬件安裝、查閱資料、軟件的開發(fā)與調(diào)試。大家各司其職，不斷地去探索去克服自己所面對的困難，由此也深刻體會到了做實際產(chǎn)品不容易的道理，并且也發(fā)現(xiàn)團隊合作是那么的重要，團隊精神是創(chuàng)新的強大保障。

3 結(jié)語

基于Arduino單片機的智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)人體距離設(shè)備的遠近進行燈的開啟、熄滅和調(diào)節(jié)光的強度，而且根據(jù)周圍環(huán)境溫度的變化燈光變換不同的顏色。不僅如此，成本較為低廉的Arduino主板可以代替Hue系統(tǒng)的功能，更加適宜走進千家萬戶，具有很大的潛在商業(yè)價值。同時，所有參與者在整個創(chuàng)新項目實施過程中，積極參與，在查閱文獻、進行調(diào)研后，不斷和指導(dǎo)教師溝通，進行系統(tǒng)的接線和編程調(diào)試。在經(jīng)過創(chuàng)新項目的鍛煉后，我們自身的綜合素質(zhì)得到了很大的提高，實驗動手能力、解決問題的能力都有了很大的提高，團隊協(xié)作能力明顯提高。同時，創(chuàng)新項目能夠尊重我們個性發(fā)展和興趣取向，因材施教，調(diào)動我們自身學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，切實提高參與者的實踐創(chuàng)新能力，符合全社會對教育部門人才培養(yǎng)的迫切要求，創(chuàng)新項目有助于提高高校畢業(yè)生的競爭力，為企業(yè)輸送更多優(yōu)秀的人才。

參考文獻

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