智能照明系统动态调节器设计

0 引 言

我国照明用电量占总用电量的 10% ～ 12%，照明节能的潜力巨大 [1]。在人员密集的办公楼、写字楼等对照明的质量要求也越来越高，且办公写字楼照明已不再是简单地通过增加照明灯具的方式来提高照明的舒适度 [2]。而使用适当的照明控制技术不仅能提高人眼的舒适性，还能降低能耗。因 此，近年来智能照明的控制受到了广泛的关注，尤其是在空间和时间的范围内基于自适应人工照明控制领域 [3-5]。研究表明，不同的用户可能需要不同程度的照明，不仅可以提高用户满意度，还能提高工作效率。随着科技的发展，手机已成为人人必备的工具，若将当下成熟的智能手机技术及人工智能领域方面的技术相结合用于智能照明系统的开发，就可避免传统照明在开发时对面板的过度依赖。本文在当下人工智能等研究背景下，提出并设计了一款智能照明动态调节器。

1 设计流程

1.1 智能照明动态调节器设计

本设计是以单片机为核心，用手机作为上位机，以单片机最小系统与蓝牙模块作为下位机，通过将单片机蓝牙和手机蓝牙相连接，手机发送指令来控制蓝牙模块，实现对灯具亮度的控制。手机与单片机在蓝牙通信系统的基础上，能够构成一个共享信息的网络。就功能分析，智能照明系统有4 个主要模块 ：蓝牙模块型号为 BT06 ；灯光模块采用不同的 LED 灯 ；电源模块采用 5 V 直流电供电 ；单片机模块选用 STC89C52 单片机。系统主要分为两部分 ：远程控制部分Android 手机终端和功能部分智能控制终端。Android 手机将蓝牙 API 接口从上位机程序调用，控制内部蓝牙设备，以执行数据传输和控制。本设计系统结构框图如图 1 所示。其中单片机最小系统、晶振电路、复位电路等不赘述，在此仅对基于 PWM 的 LED 灯的调光设计及其原理、蓝牙通信模块、APP 手机蓝牙客户端的设计进行详细阐述。

1.2 LED 灯调光设计及其原理

PWM 脉冲信号由单片机引脚产生，当引脚为高电平时，LED 灯亮，当引脚为低电平时，LED 灯灭 ；定时器 T0 溢出中断设置为 1/1 000 s，每 10 个脉冲为一个周期 [6]（频率为100 Hz）。为了保证LED灯亮度足够亮，如果是串联电阻的话，可能 LED 亮度不够，无法直观地看到亮度的变化，导致操作不明显。为了保证 LED 灯亮度足够亮，需要用到降压芯片，使电压降到 3.3 V 与 LED 灯驱动电路相连接。图 2 为降压芯片，低电平导通，高电平段接降压芯片后的 3.3 V 电压。 图 3 为 LED 灯驱动控制电路 [7-8]。

1.3 蓝牙通信模块

对于系统蓝牙通信模块而言，其重点是实现手机蓝牙指令的接收和与单片机的直接数据通信。智能照明蓝牙通信系统包含以下两部分。 

（1）手机蓝牙端用来对智能照明蓝牙接收端发送 A，B， C，D 指令，分别代表控制灯具的开启、关闭、亮度 + 与亮度 -。其中，亮度 + 和亮度 - 是连续可调，满足用户个性化的照明。 

（2）主程序主要是在单片机的控制下，对蓝牙模块输入的信息进行存储分析，控制 LED 驱动电路，以达到控制灯具的目的。单片机定时读取蓝牙模块的串口数据，若串口数据被读出，则对数据进行分析。

1.4 APP 手机蓝牙客户端的设计

智能照明系统蓝牙端 APP 是基于 Android Studio 软件第三方开发平台而设计。Android Studio 具有许多非常高效的特性，如 ：集成 Gradle 的打包工具 ；效果简洁可视化 ；可以拖拽的 UI 操作 ；代码自动补全等 [9-10]。该软件适应于没有计机 APP 专业知识的用户，基于此平台可进行智能照明手机控制端 APP 项目的开发。因此本文选择 Android Studio 软件开发平台开发安卓 APP，在一定程度上简化了开发者的工作量与 APP 开发的难度。智能照明 APP 开发界面如图 4 所示。智能照明 APP 控制界面如图 5 所示。

首先连接蓝牙按键与智能照明系统的蓝牙接收端，当手机蓝牙的客户端与照明系统蓝牙的服务端模块确认连接后，用户即可通过图 5 所示的 APP 控制界面的打开、关闭、亮度 +、亮度 - 等指令分别控制 LED 灯具的亮、灭及亮度连续调节等，满足用户的个性化需求。

2 结果分析

本文设计的智能照明系统能以手机控制平台、蓝牙通信模块、单片机控制模块及电机驱动模块等硬件模块，实现照明灯具的亮、灭及亮度连续调节等功能，且功能容易实现并能激发开发者的兴趣。本文以 4 组灯具作为案例，界面分为 4 组 LED，通道号上方为 LED 当前亮度，通道号下方为 LED 开关指示灯，当点击“开”按钮，指示灯亮起，物理系统中的 LED 灯珠工作，亮度适中，亮度显示值为“128”。在 LED“开”的状态下，亮度可调，物理系统LED 接受“亮度调节”控制，输出对应程度的光照。随机选取某一工况下 APP 界面如图 6 所示。

该智能照明系统动态调节器可实现如图 6 所示的功能， 该 APP 界面设置了调节按钮和滑动杆，按钮可实现亮度的微调，滑动杆可实现粗调。具体操作如下。 （1）亮度调节按钮。当点击“+”，LED 亮度增加，每次自增 1，加至 255 后，一直保持，此时 LED 为最亮 ；当点击“-”，LED 亮度减弱，每次自减 1，减至 1 后，一直保持，此时 LED 为最暗。 （2）亮度滑动杆。点击红色拖动块，拖动鼠标实现亮度快速调节，最大为 255，最小为 1。

3 结 语

本文设计的智能照明系统动态调节器以 STC89C52 单片机为核心，通过蓝牙通信控制 APP 和单片机，以 LED 灯为光源，运用 PWM 原理控制 LED 的亮度和开关状态。结果表明，该智能照明动态调节器能够迅速精准地管理灯具的亮度以及开关状态，且成本低廉，具有良好的操作性 ；并且该智能照明系统融合了物联网和智能家居产品的热门技术，具有一定的科研价值。