多功能白光LED智能照明系统的设计*

汪　为，杨　涛，田宝森，熊　艳

(长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州434023)



多功能白光LED智能照明系统的设计*

汪为，杨涛，田宝森，熊艳

(长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州434023)

从照明人性化、个性化及智能化的需求入手，提出了集合光控、红外感应、实时信息监控、照度分级于一体的基于物联网的多功能白光LED智能照明系统的设计方案，该方案结合红外传感模块、光敏传感模块、ZigBee无线传输单元等对灯光系统进行多路控制以实现白光LED的亮度分级，同时对周围环境的温湿度以及气体是否异常进行实时监控，实现了兼具声控、外部照度分级光控、红外感应控制、红外遥控调光、物联网控制且实时监测环境信息的多功能白光LED智能照明系统。

智能照明；分级调控；物联网；ZigBee

0　引言

随着一系列先进技术的发展，人们越来越注重数字化家居的实现。智能化照明技术能大大促进数字化家居的发展，且能进一步融合个性需求，优化照明环境，与此同时，智能照明技术不仅操作简单，而且更加便于管理，有利于更好地节省人力、财力资源。LED智能照明系统因其节能、环保、自动化的特点而受到广泛的关注和应用[1]。目前，大多数LED智能照明系统的控制采用声控、光控、声光控为主，但灯具的亮度为一恒定值，在一定程度上造成了能源的浪费，同时减少了灯具的使用寿命[2]。本文从照明人性化、个性化及智能化的需求入手，提出了集合光控、红外感应、实时信息监控、照度分级于一体并基于物联网的多功能白光LED智能照明系统的设计方案，该方案结合红外传感模块、光敏传感模块、ZigBee无线传输单元等对灯光系统进行多路控制以实现白光LED的亮度分级，同时对周围环境的温湿度以及气体是否异常进行实时监控，获得了兼具声控、外部照度分级光控、红外感应控制、红外遥控调光、物联网控制且实时监测环境信息的多功能白光LED智能照明系统。

1　总体设计

该测试系统结构图如图1所示，主要由红外感应器、光敏传感器、控制器[3]、照明装置、电源装置、物联网管理系统[4-5]、用户终端[6]、温湿度传感器和气体传感器组成。红外感应器、光敏传感器、电源装置的输出端分别与控制器的输入端连接，控制器的输出端与照明装置的输入端连接。该系统由各个传感器接收信号并由控制器进行处理，可通过物联网管理系统对灯具及周围环境的信息进行监控。红外感应器用于采集外界的红外线强度并将采集的数据发送给控制器；光敏传感器用于采集外界的光照强度并将采集的数据发送给控制器；控制器用于对接收的红外线强度及光照强度进行分析并控制所述照明装置的开关及光照强度；电源装置用于给整个装置提供输出电压，物联网管理系统主要是将灯具的工作状态以及外部环境的温湿度和气体是否异常传到用户终端，用户终端将信息显示出来便于人们对灯具进行控制。具体实现过程如下：

图1　系统总体结构图

(1)当使用者进入红外感应的范围时，若监测环境照度小于预设照度，此时，灯具就会进行照度补偿，使环境照度达到预设值；若此时的环境照度大于或等于灯具的预设值，则灯具不亮。

图2　灯具驱动电路图

(2)可以通过电脑连接ZigBee中心节点或用手机连接WiFi对灯具的运行情况和环境的温湿度以及周围气体是否异常进行监控。

(3)可根据用户需要用红外遥控器对预设照度进行调节。

2　智能照明系统的硬件设计

2.1光敏传感模块的设计

现阶段来看，大多数测光系统的光强采集原件为光电池或光电三极管，其中包括信号放大电路、AD转换等，其系统的设计复杂程度较高。而高级的测光系统更需要多档放大电路实现大量程测光，这些电路增加了系统的能耗和灵活度，且易受到非可见光的干扰。

本设计采用单片测光芯片BH1750作为光敏传感器，测量范围为1～65 536 lx,完全满足一般环境下的量程范围的照度。它是具有优良光谱灵敏度特性、16 bit串行输出的单片数字照度传感器。在具体设计过程中，主要通过I2C(Inter Integrated Circuit )通信接口读取BH1750采集到的数据，然后根据用户要求的形式将数据在液晶显示屏上呈现出来。

另外，BH1750芯片只需3个I/O口就可以与单片机进行通信，极大地减少了单片机上I/O口的使用数量，从而降低了系统的复杂度，且测量结果更加准确。

2.2红外遥控调光的设计

红外遥控调光是该智能照明系统重要的功能之一，在遥控信号发射部分采用38 kHz的信号作为载波对各个按键按下所产生的信号调制后进行发射，通过红外接收管接收之后将信号传递给单片机处理，从而达到调光的目的。如图1所示，可通过红外遥控器手动设定照明装置的照度值，控制器根据设定的光照强度值与环境照度值的差异调节输出电压，从而实现对照明装置照度的控制。红外遥控调光方式分为两种，一种是利用红外遥控器自行设定照度值，另一种分为粗调和细调，粗调是每按一下按键照度值加减50 lx，细调是每按一下按键照度值加减1 lx，这样的调光方式，方便了用户对周围环境亮度的控制，增强了用户体验。

2.3灯具驱动电路的设计

灯具驱动电路如图2所示。其主要利用PCF8591芯片通过集成电路总线I2C(Inter Integrated Circuit )通信接口读取单片机输出的数字信号(0～255)并转化为模拟电压，再将电压进行放大后作用于灯具，从而达到调光的目的。

2.4物联网管理系统及用户终端的建立

本照度分级的智能照明系统主要采用Socket通信协议。如图1系统的结构图所示，物联网管理系统7包括物联网终端71和物联网中心节点72，物联网终端与物联网中心节点无线连接，电脑通过串口与物联网中心节点连接，该中心节点发送电磁波控制物联网终端，从而监控照明装置的运行情况和测试环境气体是否异常，另外，手机客户端也可以通过WiFi与物联网中心节点远程连接来控制灯具的运行情况和监测环境气体是否异常。如图3所示为电脑和手机上无线管理系统图中电脑和手机的界面显示。

图3　电脑和手机上无线管理系统图

3　智能照明系统的软件设计

3.1照度分级的设计

本智能照明系统主要采用C#语言编程[7]，通过控制单片机上串口的高低电平来实现对灯具的控制，系统流程图如图4所示。首先，在单片机初始化的过程中将会读取预设的照度值，然后通过光敏传感器检测环境的亮度是否比预设照度小，只有在环境照度低于预设值且有红外感应的情况下，LED灯具才发光，进行照度补偿，从而使环境照度达到预设值，达到调光的目的。另外，此系统还可以根据用户需要来设定光照强度。

图4　系统的结构流程图

3.2环境气体监控

环境气体的监控包括以下步骤：传感器感应环境气体，判断感应到的气体是否异常，若感应到的气体异常，则判断异常是否超过预设时间，若异常超过预设时间，则输出异常信号至手机或电脑客户端，异常报警，然后判断异常是否处理完毕，若异常处理完毕，则解除报警。该环境监控主要是应对现行大楼可能发生的突发事件而设计，具有及时、准确的特点。

4　结论

该多功能LED智能照明系统通过红外感应器及光敏传感器采集外界的红外感应信号及照度信号，控制器通过以上采集信号对应的不同输出电压控制照明装置的光照强度，根据是否有红外感应及外界的光强变化实现照度的分级实时调控，并且通过物联网对LED灯具的状态、环境的温湿度以及气体是否异常进行实时监控，有效地减少了系统能耗，提高了照明装置的使用寿命，在家居、餐厅、酒店、公共设施等场所均具有较广泛的应用前景。

[1] 南忠良,孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].电子设计工程, 2010,18(7):117-119.

[2] 刘卫国.建筑智能照明控制系统的分析与应用[J].新材料新装饰，2014(7)：59.

[3] 胡乾斌,李光斌,李玲，等.单片微型计算机原理与应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.

[4] 陆洋.智能家居中的业务及关键技术[J].电信技术,2010(5):45-47.

[5] 王敏，武阳，王宁，等.基于物联网架构的智能照明系统的设计与实现[J].电工技术学报，2015(S1)：110-114.

[6] 王吉福.ZigBee无线组网技术及其应用[J].当代青年月刊,2015(2)：124.

[7] 振杰.C++程序设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.

Design of intelligent multifunctional LED lighting system

Wang Wei, Yang Tao, Tian Baosen, Xiong Yan

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

To satisfy lighting humanization, personalized and intelligent demand, this paper puts forward a design scheme which set light control, infrared sensors, real-time monitoring, information classification and illumination in an IoT based multifunctional white LED intelligent lighting system. The scheme combines infrared sensing module, photosensitive sensor module, ZigBee and so on to control the lighting system in order to realize the brightness classification of white LED. At the same time, temperature and humidity of the surrounding environment and real-time monitoring of the abnormal gas is obtained, as well as sound and light control, external illumination grading control, infrared remote control infrared dimming, networking control and real-time monitoring of the environment information.

intelligent lighting; hierarchical regulation; Internet of Things; ZigBee

湖北省大学生创新创业训练计划项目(104892014036)

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.15.029

2016-04-14)

汪为(1994-)，男，在读本科生，主要研究方向：物理学。

杨涛(1993-)，男，在读本科生，主要研究方向：光电信息。

熊艳 (1980-) ，通信作者,女，博士，副教授，主要研究方向：半导体光电器件。E-mail: yxiong@yangtzeu.edu.cn。

引用格式：汪为，杨涛，田宝森，等. 多功能白光LED智能照明系统的设计[J].微型机与应用，2016,35(15)：98-100.