Arduino的家居智能照明系统的设计

湖南信息学院电子信息学院 陈章鹏 陈 亮 张钰莎 何爱军 梁菜萍 许 彤 陈宁欣

本系统总设计是基于Arduino物联网的家居照明系统，对照明设备进行统一部署和管理，由传感器、家庭网关、手机终端构成。在Arduino开源平台上部署传感器节点，对照明设备的状态进行检测；在软件平台上接受并处理反馈信息，根据指定的策略对照明设备进行控制；终端产品对灯具进行远程管理和模式切换。本系统将家居照明设备从被动静止结构转变为多种场景照明的智能控制系统，同时具有可扩展性，满足用户需求的变化，带来良好的生活体验。

1 智能家居照明系统应用现状

1.1 全球智能照明市场前景广阔

传统的钨丝灯、气体放电灯照明时代跨越到了现代的LED半导体器件的照明时代，家居照明领域发生了巨大变化。与此同时，网络时代也在发生着改变，由原先的移动互联网开始向物联网转变。正是科技融合发展的高速时期，在LED照明与物联网创新结合的基础上，碰撞出了影响人类生活的智能照明时代。科技之间的结合、碰撞，为智能照明时代的市场发展提供了广泛空间和爆发潜力，奠定了智能照明生态体系在时代发展中迭代、优化、发展、向着更优体系不断更新的基础。

据全球市场研究咨询公司Markets and Markets发布的市场研究报告指出，2015年全球智能照明市场规模为33亿美元，预计2022年将达到197亿美元，这个期间的复合年增长率为27%。

1.2 智能照明控制要选择合适的连接技术

在万物互联的时代，连接的技术非常多。有基于总线的有线技术，有短距离的无线连接技术，也有跨越几公里的广域网无线技术。在使用智能家居照明时，需要对家居的全套设备进行全连接、简便操作且保障安全。由于组网节点多及其复杂性，必须支持低功耗、成本低。蓝牙技术具有低功耗的特性，对基于可控广播的蓝牙Mesh技术有了新的定义，在未来也十分具有发展潜力，值得界内关注。如果只是简单地点连接或者是不需要连接很多结点，使用WiFi或蓝牙连接即可。

1.3 互联网技术与传统照明加速融合

新时代下的物联网业态以及技术本身都在发生新的变化，物联网带来的不仅仅是产品层面的冲击，更多的是跨界融合。全球IT巨头思科携手Cree推出Smartcast以太网供电智能照明平台；IoT照明平台供应商Gooee和EnOcean共同研发了网状蓝牙智能照明控制系统；华为与欧普合作，GE、苹果、高通等科技巨头也动作频频，通过和传统照明企业的强强联合进军智能照明已经成为常态。

从技术角度看，智能照明主要强调对照明的基于规则的控制与基于环境因素和人的需求的简单自动控制，让照明具有逻辑智慧。它需结合大数据处理与人工智能和产业的完善，来超越照明本身的意义走向从智能照明迈向智慧照明高度。

综上，本项目研究既符合物联网应用的市场前景，在设计和开发实现中也将不断跟踪业界的新技术动态，保持本项目的创新性和实用性。

2 系统分析

2.1 采用Arduino开源物联网硬件平台

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，在物联网开发领域中，硬件集成和软件开发两方面都可以充分利用Arduino的多种优势。Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码，包含硬件和软件开发环境。

硬件部分是Arduino电路板，它能通过各种各样的传感器来感知事物，通过控制灯光、马达、舵机和其他的模块来反馈、影响事物。

软件部分是Arduino IDE，它可以灵活、简便的进行程序开发。将IDE中的代码烧写到Arduino电路板芯片后，可以通过Arduino电路板驱动控制灯具终端。

2.2 选用Python作为物联网全栈开发语言

Python是一种应用层编程语言，非常适合物联网系统整合。首先，它支持物联网可编程设备，在嵌入式环境中使用Python，远比C/C++简单快捷，大大提高了编程效率。不仅可以访问绝大多数的硬件资源，调试简单，还可以获得各种中间件服务，包括文件系统、交互命令、网络服务，并且支持多线程、异步I/O、回调，无须担心内存泄漏和垃圾回收问题。其次，Python支持物联网网关开发，随着硬件和操作系统的标准化，编程接口也逐渐标准化。物联网中的无线通讯技术已经标准化，不需要开发底层驱动，基于标准化硬件、操作系统和编程接口，可以大大简化、加速物联网开发。再次，Python易于进行服务器端开发，它有大量开放源代码的Web应用框架，如Django、Flask等，可以比较方便地完成物联网项目的后端Web开发。Python有大量有模块库，它可以用更少的代码行完成更多的工作，是物联网系统数据分析部分的理想选择。

3 系统设计与应用

3.1 硬件搭建部分

（1）电源模块

电源模块是驱动各种元器件的动力之源。本系统在不影响体验的情况下采用了低成本的自主搭建的电源模块。由变压器将220V输入转化为24V输出，再经过同步整流MOS管全桥电路的整流大大降低了损耗，再用7812、7805和AMS117配合电路来实现稳压，将其做成电源箱后就可对各芯片进行独立供电了。

（2）控制模块

控制模块的ArduinoMCU通过模拟量I/O口发出信号给组合的138译码器来控制光耦隔离开关模块，也可以直接通过终端产品通过WiFi通信来控制光耦隔离开关。光耦隔离开关模块通过驱动电路来控制MOS管的导通于截止实现智能的效果。再MOS管端口出并联一个舵机开关直接短路来达到按键模式的主控、其他智能模式的辅助的应用效果。为达到用户需求降低成本的目的下，通过温度、光照、声音传感器定时反馈走廊的温度等数据来控制走廊的灯具，这些传感器布置于走廊等场所，其他区域只分布声音传感器。

（3）检错模块

检错模块主要由电压测量元件组成。当灯具出现故障时，就可以调节亮度来读取电压，也可以经过欧姆定律转换成电流共同来进行电路故障的寻找与处理。

3.2 软件系统搭建部分

对市场需求的调查和实际需求的分析，本系统设定了按键、无线、自动检错4种模式来满足各种场景的切换。

（1）按键模式

按键模式为主控模式。在这个模式开启之后整个智能化系统处于一个睡眠状态达到低功耗的状态，实现的是一种现代普遍的照明电路系统，通过一种普遍的开关来实现回路的闭合点亮led灯具。

（2）无线模式

无线模式为辅助模式。这个模式用户可以通过手机app等终端产品根据自己的需求通过网络通信将控制指令下达给MCU，由内部烧录的代码配合指令通过pwm和数字I/O口来控制电路来实现相应的灯具开关与亮度，此界面还具有扩展功能，用户可以按照相应的硬件说明来实现灯具的扩展。

（3）自动模式

自动模式采用的是一种传感器数据反馈的方法来实现自动切换功能。数据从敏感元件捕捉上来经过转换原件的处理后得到普通人可以使用的日常数据，再通过用户普遍的需求进行参数的设定。根据传感器反馈的处理后的数据和设定值进行比对，通过Arduino模拟I/O输出口配合控制模块电路进行亮度的调节控制。

图1 系统场景模式操作界面

图2 检错模式反馈界面图

（4）检错模式

检错模式主要是通过调节亮度再通过反馈回来的参数判别电路故障点，再根据常用故障说明书通过排除法来推断故障点的问题所在。达到快、准、狠的效果。

4 实现效果

系统硬检错模块中，用户可以调节亮度，根据传感器反馈的数据参数后的电流和电压变化进行故障点的寻找，再通过常见故障说明书来判定灯具问题还是电路和其他元器件的问题，让电路小白也可以进行快、狠、准的维修。如图1、2所示。

总结：本文设计了一个家居照明系统，除了具备市面上已有声控、手动开关等基本功能，还着重突出了系统中的远程的智能兼容机制，符合了现代智能化的业务需求，能够实现较好的照明效果，使得用户在智能中不断受到心理激励，在生活中获得幸福感，生有所福、事有激情。