人性化家居照明设计

摘 要：近年来科技水平快速发展，诸多产品向智能化发展。电灯是家家户户最常用的家用电器，为了使人们能够体验更加方便和智能的生活，享受科技发展的便利，设计了一种新型的智能家居照明系统。该系统兼具智能化和人性化，不仅能够改善人们的生活质量，还能节能环保，延长灯具寿命，可成为同类项目提供参考。

关键词：智能家居照明; PWM控制; 健康工作和休息; 智能化; 人性化

中图分类号： TU88

文献标志码： B

文章编号： 1674-8417（2024）11-0023-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.005

0 引 言

智能照明是指利用物联网技术、有线和无线通信技术、电力载波通信技术、嵌入式计算机智能信息处理技术以及由分布式照明控制系统组成的节能控制技术，实现照明设备的智能控制［1-3］。该系统不仅可以根据语音或遥控控制灯光的颜色和亮度，还可以根据用户说话时的关键词来判断其情绪状态，以此调节灯光的氛围。有语音交互功能的灯具，不仅可以用来与人交流，还可以用来播放音频，构建三维音效。智能系统可以记录用户的作息时间、提前调光或照明，营造入睡或起床的氛围。如果用户熬夜，它会自动调整健康时间表，提醒用户及时入睡，此外，如果此时有重要的事情，智能照明可以自动调整灯光。当人们生活在这种人性化、智能化的家居灯光环境中时，可以提高掌控情绪的能力。当人们有不同的需求时，灯光会进行主动调整，这对人们的睡眠质量和健康有很大帮助［4-6］。为了让照明更好地服务于人们，本文提出了家居照明的创意设计，从主要功能、LED灯选取和系统优缺点分析3个方面介绍该智能照明系统设计。

1 主要功能

1.1 日常生活照明

人们可以通过本地控制或远程控制来开关灯，如客厅会客、书房阅读和办公、卧室休息、厨房烹饪、楼梯感应灯和其他房间。可以通过手机软件控制各个区域的灯光。不管人们处在何处，不必担心家里的灯有没有关闭，仅需通过手机后台查看，就可以轻松地查看和控制整个房间的照明。

1.2 情绪照顾

该部分功能主要通过语音交互实现。如当一个人回到家时，他打电话给他最好的朋友，抱怨遇到的烦心事。此时，客厅的智能照明系统会捕捉这些关键词，比如“不开心”或“吵架”，然后智能照明系统会按照事先编辑好的程序，调整灯光，发出柔和的灯光，使环境变得更加温和。同时，还将与互联网连接，并播放选定音乐，让用户的心情快速平静下来。当人们感到快乐时，就会触发“快乐”或“幸福”等特殊的关键词，灯光会变得更亮，歌曲的旋律也会更轻快。该功能也可以在客户端控制，用户可以设置开始时间、关闭或调整关键字，更改歌曲列表等［7-8］。

1.3 健康作息系统

现在人们的作息越来越不规律，熬夜已经成为一种普遍现象，这可能会导致睡眠质量越来越差，最终可能形成恶性循环。LED灯的健康工作和休息系统将改善这种现象。例如，当用户将睡眠时间设置为从23∶00至第二天7∶00时，灯光将在22∶45变暗，主灯将熄灭，小夜灯将点亮，创造出一个静谧环境，提醒主人该睡觉了。如果用户长时间没有睡觉，LED灯健康系统会发出声音提醒。

健康系统还将了解人们的日常工作和休息习惯。如小憩、工作日和周末睡眠时间的差异，它会自主简单地调整时间。这种学习是基于手动关灯的时间记录来分析大数据，并使用线性回归来获得合理的时间曲线。当用户需要调整时差时，该健康系统可以根据个人特点模拟特定时间的室内亮度，从而更好地起到辅助作用。

2 照明系统

2.1 控制系统

控制系统采用STC89C51作为主控芯片，通过其外部接口与其他外部模块相连。主要包括Wi-Fi无线模块、语音模块、显示模块和电源控制模块。每个模块都可以通过主控模块有效地完成接收外部信号和检测信号任务，然后将它们传输到其他模块进行工作，形成闭环反馈系统，可以根据LED智能照明控制系统说明书有效地控制光线。

可以分为本地控制和远程控制。本地控制通过开关、语音识别模块等，实现照明的精准控制，这种控制方式适用于近距离或者不熟悉智能控制的应用场景。远程控制结合软件与Wi-Fi模块下发控制信号，实现精准控制，这种控制方式适用于远距离应用场景。

2.2 实施方式

借助串行通信，当STC89C51检测到Wi-Fi串行端口接收数据时，移动终端设备可以通过ESP8266的Wi-Fi模块发送监控数据来控制LED灯。亮度调节功能采用PWM调光技术，通过调节占空比来调节单色光。LED灯发光调光均采用红、黄、蓝3种LED的混合调光技术和PWM调光技术，调节3种光的占空比，实现多种颜色和色温的变化。在完成第一次控制后，STC89C51继续监视Wi-Fi模块的串行数据，等待下一个命令的到来［9］。

2.3 Wi-Fi模块选取

由于单片机与模块之间采用串行通信，晶体频率为9 600 Hz，电源工作电压为直流3.5 V，本系统设计方案选用ESP8266模块，该Wi-Fi模块可以借助串行通信实现数据连接到无线网络，接收指令以及向MCU发送指令的功能。该模块在市面上应用较广，相对成熟且成本较低。

2.4 语音交互模块选取

本设计方案选取LD3320语音识别模块。该模块可用于语音交互和语音控制，且非常成熟和方便，具有很强的嵌入性和实用性。它有16个I/O接口，一个串行端口和其他用于接收和发送数据的微控制器，其供电电压为5 V，I/O端口可输出3.3 V的高电平［10］。

智能照明控制系统包括终端节点、控制中心及移动终端。这3个部分环环相扣，密不可分。其中，终端节点包括调节灯光亮度的PWM驱动器和可以接收控制中心命令的无线通信电路，这一部分是最终的控制变量，功能可等效为人手。控制中心包括电路、与终端节点的无线通信，以及与移动终端的蓝牙通信。移动终端主要指手机等操作器上的App，命令通过移动终端的App发送到控制中心，控制中心通过蓝牙接收命令，并将该信息通过无线通信发送到终端节点，从而实现移动设备控制灯光开关、亮或暗的调节功能。控制中心部分和移动终端部分类似于人脑，结合实时场景下发控制指令给到终端节点部分。系统结构框图如图1所示。

2.5 LED灯具选取

智能化的室内照明将使人们的生活更加舒适和便捷。相反，滥用灯光会导致身体和心理的亚健康，使人出现紧张、抑郁、疲劳等。因此，照明设备的选择决定了照明环境的安全性和舒适性。对于LED灯具的选取，首先应符合国家通用照明LED灯具标准，其次再考虑其美观与否，是否符合用户要求。有些灯具可以直接使用，并通过控制电流的大小，简单地调整亮度，灯光颜色可以是黄色和白色。

国内某大学的研究人员就人们对不同颜色、色温和光源的视觉偏好进行了大量实验。实验结果表明，彩色调室内照明环境比中性调室内照明更舒适和健康。其中，人们最舒适的彩色调房间是4 000 K的照明场景，而最满意的中性色调房间是2 700 K的照明场景［11］。

此外，也应该考虑光的频闪问题。国内某大学的研究人员研究了光源频闪对人体健康的影响。研究结果表明，光源的视觉效果不仅会严重影响人们的心理、情感甚至生理机能，还会对人们的睡眠和注意力产生巨大的负面影响［12］。

2.6 主程序设计

本设计方案首先选用C语言作为程序语言。该程序易于理解和检查，并且具有添加操作等后续功能。它可以有效地解决许多数据问题。当程序运行时，需要初始化主程序，输出定时I/O端口以驱动语音模块交换信息并将数据发送到Wi-Fi模块。

2.7 控制信号的传输方式

本设计方案选用X-10传输母线，它利用现有的电力线来控制家中的电子和电气产品。这也是国外最早流行的智能家庭网络系统。X-10传输母线是以60 Hz（或50 Hz）为载波，120 kHz脉冲为调制波而发展起来的数字控制技术。利用商用电源正弦信号的过零点进行信号传输，从调光控制箱引出3路，分别与调光段LED定律相连，分别标记为X-10-a通道、X-10-b通道和X-10-c通道。调光控制信号传输模式框图如图2所示。

3 系统优缺点分析

3.1 优 点

（1） 日常照明智能化。智能照明系统能够实现一键控制和自动化管理，可借助手机实时查看和控制房间内所有的灯光，根据不同的情景模式自动切换照明，提供方便快捷的照明控制体验。

（2） 提高生活质量。智能照明系统可以借助语音交互感知情绪，实时调节灯光色调，使人感到温馨舒适。智能照明系统能够学习人的日常工作和休息习惯，自主调整开关灯时间，使人们作息更规律，睡眠质量更高。

（3） 节能环保。智能照明系统能够智能调节灯光亮度，充分利用自然光，有效节约电能，减少电费支出，同时有助于减少环境污染。

（4） 延长灯具寿命。智能照明系统通过智能调光技术，减少电压波动对灯具的损害，从而延长灯具的使用寿命。此外，智能照明系统能够在无人使用时自动关闭或调暗灯光，减少因长时间工作而造成的损害。

（5） 提高管理水平。智能照明系统采用总线式系统，安装时无须考虑复杂的控制关系，节省线缆和人工费用，且有助于集中管理照明设备，减少人为浪费，提高整体的管理水平。

3.2 缺 点

（1） 该LED灯健康系统仅用作辅助，具体实施取决于用户是否主观地想要进行健康的工作和休息，如果用户手动关闭此功能，此功能将失效。

（2） 当用户打开该功能时，可能会无意中触发关键字并更改灯光［13］。

（3） 目前智能照明行业仍处于不平衡的发展阶段。然而，终端设备的发展和技术还不成熟，这让许多消费者不敢购买，商家也不敢轻易推广。

（4） 一个好的产品需要有市场，需要得到消费者的喜爱，产品的兼容性也会影响消费者的购买热情。因此，需要对这一行业进行更为具体的监管，以及互联网企业和照明企业之间进行更好的合作和互利，最大限度地实现技术和信息共享。

（5） 智能照明的布线和布局相对复杂，会给后期维护带来一定的麻烦，未来有必要对电路进行简化和集成。

4 结 语

本文提出了一种新的智能化照明方案，描述了LED灯健康控制系统及其主要功能，实现了家居照明的人性化智能调节。目前，传统的智能家居照明存在较强的局限性，仅仅用遥控器、手机等设备做控制，或采用语音实现简单的切换，已经不能满足人们对“智能”这个词的理解和需求。本文设计了一种理想化的智能健康照明系统，旨在为人们提供一种新的智能理念，在注重工作的同时，提高人们家庭生活的舒适性，保证人们的身体健康和心理健康。

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Humanized Home Lighting Design

Abstract：

In recent years，the level of science and technology has developed rapidly，and many products have developed towards intelligence.Electric light is the most commonly used household appliances in every household，in order to enable people to experience a more convenient and more intelligent life，enjoy the convenience of scientific and technological development，the author has designed a new type of smart home lighting system.It is both intelligent and humanized，which can not only improve people’s quality of life，but also save energy and environmental protection，prolong the life of lamps and lanterns，and it can provide reference for similar projects.

Key words：

smart home lighting; PWM control; healthy work and rest; intelligence; humanization