張敏 崔祥霞 劉格

摘 要：針對目前國內(nèi)的智能感應燈還處于手動控制階段，本文提出了一種基于WiFi和Arduino單片機的智能檢測感應燈。該方案以Arduino單片機作為核心控制器件，使用紅外傳感器和光敏電阻實現(xiàn)自定義不同燈控模式，智能感應以及遠程控制。

關(guān)鍵詞：Arduino單片機;WiFi;智能照明;傳感器

目前國內(nèi)的智能家居市場還處于起步階段，相比其他概念型的智能家居產(chǎn)品，人體感應智能燈顯然要實用的多。與歐美等發(fā)達國家相比，我國的比較先進的智能燈光控制系統(tǒng)僅僅實現(xiàn)了紅外遙控控制，并且大都還處于手動開光控制單個光源亮滅階段。在此背景下，本文基于WiFi和Arduino單片機提出一種切實可行的智能感應檢測人體燈設(shè)計方案，一款能夠利用紅外線、熱釋電原理感應人體活動信息的新技術(shù)、新設(shè)計，專門用來檢測和感應人體活動信息的智能感應燈，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)燈光亮度，隨意切換五種不同工作模式，從而減少能源消耗，提高生活體驗品質(zhì)。

1.智能感應人體燈設(shè)計方案

基于WiFi和Arduino單片機的智能感應檢測人體燈主要實現(xiàn)以下功能：一是采用遠程控制的方式實現(xiàn)控制基本照明;二是可以智能調(diào)節(jié)燈的亮度，切換五種不同工作模式，五種工作模式及其具體實現(xiàn)的功能情況如下：

1）閱讀模式：智能感應人體燈會根據(jù)外界的亮度調(diào)節(jié)燈光的亮度，使燈光適合人正常工作生活，達到節(jié)能目的。

2）自定義亮度：可以根據(jù)用戶的需要調(diào)節(jié)亮度，符合用戶自定義的使用要求。

3）電影模式：調(diào)低燈光亮度，營造一個看電影院的觀看環(huán)境。

4）夜間路燈模式：通過設(shè)備所帶傳感器判斷環(huán)境是否過暗，檢測有沒有人在附近，來決定是否需要開燈，實現(xiàn)人在燈亮，人走燈滅功能，實現(xiàn)圍繞人打造的節(jié)能環(huán)保的目的。

5）音樂模式：為聽音樂渲染一個聽歌環(huán)境，計劃根據(jù)基本的音樂風格形成相應的燈光變化節(jié)奏，實現(xiàn)燈隨音動。

本方案計劃使用內(nèi)置的光照強度傳感器檢測圖像情況，顯示產(chǎn)品環(huán)境周圍的亮度。研發(fā)的設(shè)備上采用旋鈕的控制方式，可以使本方案開發(fā)的燈具設(shè)置在傳感器檢測的設(shè)置一定亮度值時自動啟動（目前計劃僅在閱讀模式、夜間路燈模式這兩種模式條生效）

因為使用了遠程控制的方式，需要云平臺的控制支持，所以當斷電時，智能燈會無法遠程設(shè)置，需要在重新聯(lián)網(wǎng)后，進行斷網(wǎng)自動重連接的操作，以便在聯(lián)網(wǎng)后完成相關(guān)智能操作和數(shù)據(jù)的傳輸、控制和收集工作。

2.硬件設(shè)計

本方案核心操作是解決數(shù)據(jù)傳輸控制燈的信息轉(zhuǎn)化問題。使用的通信方式為WiFi，通訊協(xié)議采用自定義方式的協(xié)議。根據(jù)測試開發(fā)的難度，數(shù)據(jù)流數(shù)量控制在5個左右，數(shù)據(jù)格式可以采用ASCII碼的形式，為了更好控制功耗，數(shù)據(jù)上傳頻率控制在秒級的級別上。

硬件部分主要包含兩部分：一是核心控制部分，主控Arduino Leonardo、HLK-RM04 WiFi模塊、人體紅外感應模塊;二是環(huán)境感應部分，光敏電阻、電位器、led燈（紅、綠、黃、白）、供電部分5V/2A、杜邦線和導線等。

2.1核心主控Arduino Leonardo

單片機主要用來控制當傳感器接收到輸出一個高電平脈沖信號或高電平延時信號時傳遞到主控進行相關(guān)的燈光控制操作。本設(shè)計使用的微控制器核心芯片為ATmega32u4，輸入工作電壓 5V，不能超過7-12V輸入電壓。Flash 32 KB（ATmega32u4）其中4 KB由引導程序使用SRAM 2.5 KB（ATmega32u4）EEPROM 1 KB（ATmega32u4）。時鐘速度16MHz。該開發(fā)板有兩個硬件串口，方便連接外部設(shè)備調(diào)試，而且不會影響到其他使用的串口。與其他類型的單片機相比，Arduino單片機有豐富的系統(tǒng)資源，編程簡單，模塊擴展功能強大，因此具有廣闊的應用前景。

2.2無線傳輸模塊

WiFi模塊與單片機之間通過異步串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收或發(fā)送，該過程是通過WiFi模塊和單片機自身的串口來實現(xiàn)的。目前WiFi模塊主要有兩種，一種是HLK-RM04，另一種是ESP8266。在性能上，HLK-RM04比較穩(wěn)定，速度也ESP8266快。但是ESP8266更便宜，但穩(wěn)定差一點，傳輸速度低，實際上也可以滿足本設(shè)計的要求，只是鏈接網(wǎng)絡(luò)成功性比較低，而且不支持WEB 頁面配置。綜合考慮，本方案選擇HLK-RM04模塊作為無線WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊。HLK-RM04模塊在使用時，需要進行相關(guān)設(shè)置，主要有三種設(shè)置方法：WEB頁面配置、串口AT指令配置、串口配置。

2.3傳感器模塊

傳感器模塊主要包括光照傳感器和紅外檢測模塊兩部分，主要功能是對室內(nèi)光照強度和人數(shù)做出實時檢測，并將數(shù)據(jù)傳送至控制單片機，以便單片機做出控制。

光照強度檢測模塊部分由光敏電阻和電位器組成，電位器使精度比較高，使光線測量更準確。光敏電阻檢測到不同光強就會得到不同阻值，從而有不同的電壓值，將電壓信號送給電壓比較器實時檢測室內(nèi)光照強度。

紅外感應模塊主要用于測量人體紅外波長，之所以使用人體紅外波長模塊是因為該模塊使用起來比較方便，比微波雷達更準確，因為雷達測動的一切動的物體，所以出錯的概率大些。紅外模塊的另一個好處是比較節(jié)能，使用電位器可以調(diào)節(jié)延遲、測量距離，使用起來更方便。

2.4 總體方案

本方案用旋鈕來進行燈光控制，所以要用到自定義的數(shù)據(jù)格式進行通訊。使用輔助軟件可以幫助開發(fā)更快編程和調(diào)試，使用該方式調(diào)試時，電腦相當于下位機。目前的云平臺支持多種不同的接入?yún)f(xié)議，很多都是基于TCP/UDP的上層協(xié)議，其分別對應的域名、IP地址和端口號都各有不同，可以根據(jù)實際開通情況進行設(shè)置。

（1）自定義消息格式

消息包括三個部分：必選的消息頭（綠色），可選的多個選項（黃色）以及可選的消息體（藍色）。

（2）功能函數(shù)定義

1）void communication（），云平臺上設(shè)備建立連接函數(shù)定義名稱

2）void datatransm（unsigned char Data，unsigned char cgq1，unsigned char cgq 2），上傳數(shù)據(jù)到云平臺，變量 Data要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)， cgq 1傳感器1要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)， cgq 2傳感器2要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

3）void heart（），心跳檢驗函數(shù)，掉線重連接

各種模式調(diào)用的函數(shù)：

1）float search（），光線檢測，自動調(diào)節(jié)亮度

2）void beatheart （），心跳，音樂模式

3.軟件設(shè)計

3.1程序流程

系統(tǒng)配置初始化成功后等待Wii模塊啟動，WiFi模塊啟動后燈節(jié)點開始正式工作;傳感器模塊將檢測到的人數(shù)和光照情況傳輸給單片機，單片機將其處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂祈撁?，等待頁面發(fā)送指令：若接收到信息，則按照對應指令設(shè)置照明燈的狀態(tài)，并返回等待下一次命令，若沒有則繼續(xù)等待。

4. 結(jié)論

本文提出了一種基于Arduino開源設(shè)計平臺和WiFi模塊的智能檢測感應燈，本設(shè)計的主要特點是：智能燈光提供多模式的選擇方式，可以根據(jù)用戶自己的選擇進行模式切換，也可以根據(jù)環(huán)境變化進行燈光的模式切換。圍繞傳感器收集的檢測外部環(huán)境數(shù)據(jù)，進行智能的燈光控制;將通用的數(shù)據(jù)格式進行極大的簡化，減少了系統(tǒng)的通信負荷，將很多無用的功能性的數(shù)據(jù)格式去除，提高了系統(tǒng)的效率，降低了編程的復雜度。

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