基于Arduino 的智能家居燈控系統(tǒng)研究

車瑋

(西北師范大學(xué)知行學(xué)院,甘肅蘭州,730070)

1 智能家居燈控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

結(jié)合家庭燈光控制的實際需求內(nèi)容來看，應(yīng)將智能家居燈孔系統(tǒng)分為室內(nèi)燈控系統(tǒng)和室外燈控系統(tǒng)兩部分。

1.1.1 室內(nèi)燈控系統(tǒng)

室內(nèi)燈控系統(tǒng)可以通過人體感應(yīng)模式、聲音感知模塊以及光線感知模塊實時收集室內(nèi)各區(qū)域的光照強(qiáng)度信息以及人員經(jīng)過信息，在周邊光照強(qiáng)度較強(qiáng)并且周邊沒有人員經(jīng)過時，室內(nèi)燈控系統(tǒng)將會處于節(jié)能模式，而當(dāng)周邊光照強(qiáng)度較弱，并且周邊有人員經(jīng)過的時候，室內(nèi)燈控系統(tǒng)則會控制照明設(shè)備自行啟動，實現(xiàn)室內(nèi)照明效果[1]。

為滿足如今人們個性化、多樣化燈光需求，將會在客廳燈控系統(tǒng)設(shè)置日常模式、舞會模式、宴請模式以及自定義模式四種燈控模式，該些燈控模式在設(shè)計過程中需要通過相應(yīng)的程序編程來實現(xiàn)對照明設(shè)備的燈光定義，進(jìn)而實現(xiàn)各種燈光效果。具體操控平臺將會分為智能終端和PC 設(shè)備兩大類，其中PC 設(shè)備更側(cè)重于系統(tǒng)的功能定義以及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)[2]

1.1.2 室外燈控系統(tǒng)

通常情況下，室外私人空間分為室外封閉式空間和室外開放式空間兩大類，其中室外封閉式空間的環(huán)境特征與室內(nèi)空間存在較多相似之處，所以可以直接沿用室內(nèi)燈控系統(tǒng)進(jìn)行燈光控制；而室外開放式空間相比較來說環(huán)境特征更為復(fù)雜，若是沿用室內(nèi)燈控系統(tǒng)，則會出現(xiàn)誤動作情況[3]，所以在室外燈控系統(tǒng)將會主要采用聲控模式來替代邏輯控制模式，并且照明設(shè)備在啟動一定時間以后還會自行熄滅，無需人員進(jìn)行手動控制。

1.2 總體架構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的智能家居燈控系統(tǒng)主要由Arduino UNO單片機(jī)系統(tǒng)、W5100 網(wǎng)絡(luò)拓展版、人體感應(yīng)模塊、光線傳感器、聲控模塊、紅外接收模塊以及LED 燈等設(shè)備和模塊組成，配合相應(yīng)的編程設(shè)計，便可以實現(xiàn)室內(nèi)燈控系統(tǒng)以及室外燈控系統(tǒng)的相應(yīng)控制功能。具體總體架構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 智能家居燈控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 智能傳感器的應(yīng)用

2.1.1 人體感應(yīng)模塊

本設(shè)計中的人體感應(yīng)模塊將會采用HC-SR501 熱釋電紅外裝置，該裝置可以在附近區(qū)域設(shè)置紅外警戒區(qū)，當(dāng)警戒區(qū)內(nèi)沒有移動物體時，傳感器便不會輸出信號，裝置內(nèi)部的報警電路也不會進(jìn)行運作；而當(dāng)報警區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)移動人體時，人體所散發(fā)的紅外線便會被裝置接收，并輸出微弱的電信號，蓋點信號在經(jīng)過運算放大器放大以后再傳輸給雙限電壓比較器，之后輸出高電平，驅(qū)動報警電路發(fā)出警報信號。

2.1.2 光線傳感器

光線傳感器會采用TEMT6000 光照強(qiáng)度傳感器，此傳感器具有極高的光線感應(yīng)靈敏度，并且對于紅外光有一定的抑制作用，可以有效保障光線感應(yīng)的精準(zhǔn)性和有效性。之所以能夠達(dá)成此效果，主要是因為此傳感器由一個高靈敏度的可見光光敏三極管組成，此光敏三極管可以將微小的光線差異放大近100 倍，進(jìn)而獲取更加精準(zhǔn)的光線感知信息，以此來模擬人對環(huán)境光照強(qiáng)度的判斷效果。

2.1.3 聲控模塊

聲控模塊采用咪頭開光模塊，此模塊將會采用震動感應(yīng)原理，可以實時判斷聲控模塊周邊環(huán)境的聲音強(qiáng)度。但由于聲控模塊僅能夠確定周邊環(huán)境時候存在聲音，無法有效判斷聲音的頻率和大小，所以在進(jìn)行軟件設(shè)計過程中需要對聲控模塊的相關(guān)聲音閥值進(jìn)行合理設(shè)置。

在設(shè)計中，人體感應(yīng)模塊、光線傳感器和聲控模塊所收集的數(shù)據(jù)信最終都會傳輸給Arduino UNO 單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。但由于各類傳感器所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息存在一定的差異需要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換后才能夠被Arduino UNO 單片機(jī)系統(tǒng)識別，此過程中便需要應(yīng)用A/D 轉(zhuǎn)換模塊，即所有傳感器信號均需要經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號后方可被Arduino UNO 單片機(jī)系統(tǒng)識別和處理，再由Arduino UNO 單片機(jī)系統(tǒng)的既有程序完成相應(yīng)的邏輯控制功能。

2.2 紅外接收模塊

紅外接收模塊主要采用RPM-638CBR 紅外線遙控接收模塊，此模塊具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)，接收角度廣、性價比高、無外部元件等優(yōu)點，在應(yīng)用過程中可以與紅外遙控專用解碼電路進(jìn)行配合使用。結(jié)合實際情況來看，此紅外接收模塊不僅可以滿足本文的設(shè)計需求，應(yīng)用后還能夠簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低安裝成本，實現(xiàn)一舉多得的效果。

2.3 網(wǎng)絡(luò)控制模塊

本設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)控制模塊是保障智能家居燈控系統(tǒng)智能終端控制和PC 端控制的重要保障基礎(chǔ)，為能夠確保實際控制效果，在綜合分析市場上現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)控制模塊的性能、價格等諸多因素后，最終選用了性價比相對較高的W5100 網(wǎng)絡(luò)拓展版，而用戶軟件應(yīng)用端口則會利用Yeelink 物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)平臺的資源進(jìn)行構(gòu)建。此外，設(shè)計過程中W5100 網(wǎng)絡(luò)拓展版將會直接插接在Arduino UNO 單片機(jī)系統(tǒng)的主板上，通過中W5100 網(wǎng)絡(luò)拓展版實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、PC 端數(shù)據(jù)分析、一鍵模式轉(zhuǎn)換等諸多功能效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件編程軟件會采用Arduino IDE 集成開發(fā)環(huán)境，設(shè)計語言選用C#語言，具體軟件設(shè)計流程如圖2 所示。

如圖2 所示，智能家居燈控系統(tǒng)在運行過程中會先對程序進(jìn)行初始化，并對庫函數(shù)和I/O 端口進(jìn)行定義，然后根據(jù)不同的控制模式，采用不同的數(shù)據(jù)信息收集方法。

圖2 智能家居燈控系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的基于Arduino 的智能家居燈控系統(tǒng)實際安裝成本較低、易于擴(kuò)展，應(yīng)用范圍較廣，實際應(yīng)用較為簡便，用戶不僅可以根據(jù)自身的實際需求自定義燈光模式，而且還可以通過遠(yuǎn)程控制、紅外遙控以及自動控制等多種控制模式對智能家居燈控系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。綜合分析研究后確定此系統(tǒng)設(shè)計可以滿足絕大多數(shù)家庭對燈光智能化控制的相關(guān)需求，所以值得進(jìn)行普及應(yīng)用。