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基于Arduino的办公室智能照明系统设计

Zhengfeng Li,Jingtao Li,Xiaofan Li,Yijian Yang,Jie Xiao,Bowen Xu

Kunming University of Science amp; Technology, Kunming 650051, China

Xidian University,Xian 710000, China

摘要

针对目前我国办公照明存在的能源浪费、缺乏智能照明控制和单一调节模式等问题，本文基于国内智能控制系统、发展现状、现阶段舞台技术等方面进行分析,提出了采用arduino为主控制器,结合红外感应传感器和光线传感器,无线网络作为通信方式,根据传感器的检测情况可自动实现延时、关断控制和调光功能，从而实现对办公室照明环境的检测和办公室照明灯具的控制和调节。本系统的目的在于它具有低成本、低碳绿色的特点，非常适合办公环境。

关键词：智能照明、办公、微控制器、WiFi

1 介绍

目前,传统的办公照明系统存在诸多问题，其中能源的浪费和室内照明的适配性问题最为显著，因此，在照明系统的设计中，在实现方便照明的基础上，为最大限度地减少资源浪费，充分利用自然光源，结合室内外自然光线来调节照明灯的照度，基于arduino的智能办公照明系统，采用先进的电磁调压和电子传感技术，对供电进行实时监控和跟踪，自动平滑地调整电路的电压和电流幅值，并减少照明电路中由于负载不平衡而造成的额外功耗。提高功率因数，降低灯具和线路的工作温度，实现照明控制系统优化供电。在此基础上，为办公人员设计了一系列自动控制灯光开闭、调节灯光亮度、设置场景功能的程序，达到最令人满意的视觉效果。基于arduino的智能照明控制系统，通过合理的管理，为我们提供最舒适的照明，在工作和生活中以最经济的能源消耗降低办公室的能源消耗。此外，它为电子传感技术和传感器检测技术提供了研究思路，拓宽了应用领域。

2 系统总体设计

办公智能照明系统结构如图1所示。

图一 系统结构

系统中不同的传感器与室内控制器放置在一起，通过arduino控制器将不同的检测设备检测到的室内参数传输给用户。Arduino微控制器不负责收集数据。它只负责将每个节点收集到的数据通过通信网络传输到系统。Arduino负责数据的接收和处理，并根据数据的相关属性将数据传输给LCD显示器，然后通过通信网络上传到客户数据中心。智能照明系统具有亮度自动调节功能，帮助用户随时调节室内光线的亮度，从而达到最舒适的照明效果。同时，人们可以远程操作手机，远程控制室内照明开关、亮度调节和场景预设。这种即时反馈的方式可以避免人们外出时灯具资源的浪费，高效率的同时也可以实时地为人们提供最舒适的照明。

3 系统硬件设计

3.1通信网络

为了使系统更方便地与PC或移动设备连接，避免繁琐的布线，选择WiFi网络作为传输和接收数据的载体。Esp8266是一种为移动设备和物联网应用设计的超低功耗UART-WiFi芯片。该模块为用户提供了一个高度集成的WiFiSoc解决方案，可以作为一个从机运行在其他主机的MCU上、在Esp8266的开发环境下，通过相应的配置建立的小型无线局域网。Esp8266具有丰富的硬件接口，支持UART、I²C、PWM、GPIO和ADC，是非常适合物联网应用的模块。

3.2智能照明系统

智能照明系统与传统办公照明有本质区别。传统的照明是由“强”和“强”控制的，利用普通的墙上开关或配电箱内的断开开关来控制相位的控制电路，实现对回路的控制。智能照明系统则是“弱”和“强”。用户无需触碰强电，大大降低了安全事故的发生率，控制方法多样化。该开关可以控制系统中的任何一个回路，从而打破任何一组灯，也可以设置其他功能。本系统主要由时钟模块、通信模块、光检测模块、人体红外感应模块、控制模块和执行装置组成，执行装置具有LED灯和LCD显示器。本系统的硬件接线图如图2所示。

图2 系统接线图

系统的工作原理是在PC设备上编写程序从而实现所需的功能，然后上传控制器主板。控制器作为控制中心，分为手动和自动两种模式。引脚连接到下面的传感器相连，默认电平为低电平。在自动模式下，当传感器检测到具体内容时，将原来的低电平变为高电平，点亮相关灯具，或打开窗帘；在手动模式下，控制中心与传感器通过无线wifi传输并接收数据。用户发送一个指令，然后直接将灯具的低电平变为高电平，从而达到用户的需求。

4 系统软件设计

4.1 智能照明的软件设计

软件设计分为时钟模块、通信模块、照明模块、人体红外模块、控制器和执行装置。执行装置具有LED灯和LCD显示屏。各模块之间进行通信和交互，完成系统功能。智能照明系统总体流程图如图3所示。

图3 系统流程图

4.2 时钟模块

本系统选用DS1307, DS1307采用I2C接口。I2C是一个带有时钟信号的同步协议，它允许多个从设备连接到一个总线上。I2C从设备是通过地址来区分的，只要地址不冲突，就可以连接多个设备。I2C速度为100kbs、400kbps和1Mbps。其工作原理是先对模块时间进行初始化，然后调用RTC库函数来校正模块与连接PC之间的时间。编译时，将PC机当前的时间值写入模块芯片，然后时间就显示在了LCD显示屏上。通过改变可变电阻器的电阻值可以使LCD屏幕上的字幕变得清楚可见。

4.3 GY-30照明模块

模块的照度传感器采用BH1750FVI芯片。该模块内置16位数模转换器。它可以直接输出数字信号而不需要复杂的计算。照度传感器采用热电效应原理。该传感器主要采用对弱光具有高灵敏度的检测元件。在线性范围内，输出信号与自然照度成正比。透过滤光片的可见光被照射到光电二极管，光电二极管将可见光的照度转换为电信号，然后该电信号进入传感器的处理系统。在系统内部，输出要得到的二进制信号。

照明模块通过计算电压得到有效的数据，而光电传感器可以通过光度计直接测量。该模块的通信方式为I2C协议，采用二线制进行串口数据传输。其工作原理主要是通过地址发送和接收数据。首先在arduino中定义它的第一个地址，引入一个接口作为发送和接收地址，并使用另一个引脚作为端口来发送数据。该模块根据照度计算公式将检测到的电数据转换为照度。将光信号转换为数字信号所需的公式为：

其中va为串口定义的照度，c为系统接收到的电信号数据。

根据相关研究，办公室最适合的光强是3001x，但根据实际情况，2501x的照度对人体是最舒适的。

4.4 通信网络

ESP8266是一种超低功耗UART-WiFi直通模块，具有业界领先的封装尺寸和超低功耗技术，专为移动设备和物联网应用程序设计，这些应用程序将用户的物理设备连接到无线网络上的Wi-On，执行互联网或LAN通信以实现联网。ESP8266有多种封装方式，天线可以支持板载PCB天线、IPEX接口和戳孔接口。ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。

4.5 人体红外传感器模块

本系统采用HC-SR501模块。该模块价格低廉，而且HC-SR501最大的优点是有两种检测模式。有两个用来调节灵敏度和延迟的旋钮。旋钮旁边的三个引脚作为检测模式选择跳线。如果跳线帽插入上面的两个引脚，则为单检测模式，而下面的两引脚为连续检测模式。

单检测模式：当传感器检测到人体运动时，系统输出高电平。经过一段时间的延迟后，高电平变为低电平，检测次数仅为一次；

连续检测模式：当传感器检测到人体运动时，系统输出高电平。但如果人体继续在传感器范围内移动，则传感器的高电平保持有效，直到人体离开传感器检测范围，高电平变为低电平。

4.6 场景设置模块

这个模块提前设定场景。使用时，用户只需通过网络发送命令即可获得相应的场景。系统设计的场景有：

点亮不同数量的灯。如果有人在某一区域，你可以只点亮该区域的灯，比如会议室的开关和办公室的灯。

点亮不同颜色的灯。如果人们长时间的工作，眼睛会感觉酸，然后你可以点亮绿灯来缓解眼部疲劳；如果你是在学校的时候，在正常情况下使用的荧光灯太强了，你现在可以选择温暖的光了；如果你想梦幻般的场景，只需要打开蓝色的幻影灯，就能让人感觉置身童话一样，给人们极大的愉悦。

娱乐模式：如果人们为了完成一个项目或工作已经努力了一段时间，那么你可以选择娱乐模式，灯光交替闪烁，然后你们就可以尽情享受了。

5 总结

总的来说，本系统的设计侧重于为未来系统节能、降低成本、提高安全性以及便于维护。并从硬件上基本完成了办公照明系统的初步验证和可行性。软件的整体功能得到了实现。本系统对未来办公智能控制照明的现场研究和产业化实现具有非常重要的意义和参考价值。

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