客厅智能照明系统设计与实现

摘要绪论1.1课题研究的目的和意义在当今这个科技高速发展的社会里，人们希望获得更加健康、舒适方便的生活。然而更舒适、更方便的生活就意味着更多的能源消耗。由于人类社会的整体进步、经济的提高，整个地球的资源已无法应对这种持续的巨大能源消耗，所以倡导节能低碳生活已经成为全球趋势。由于传统照明光亮固定化，消耗功率大，一定程度上也造成了能源的大量浪费。由于现代人处于快节奏的生活模式，在家、在公司、在路上都能看到人们忙碌的身影，显然传统照明的一开一关方式限制了快节奏的生活，同时，随着科技的快速发展，生活水平的不断提高，人们对家庭照明系统也提出了更多新的需求，与传统照明相比，智能照明不仅提供照明功能，而且还提供舒适、便捷、高品位的居住环境。此外，智能照明系统还具有智慧识别判断功能，可根据当前周围环境自动智能控制，并实现节能的效果。鉴于传统照明系统的控制不便、节能不佳等缺点，本设计开发了一种基于Arduino处理器的客厅智能照明系统。系统中的智能LED灯通过定期采集室内光线强度以及人员出入等信息，可实现灯光亮度根据室内光线强度自适应地调节以及灯光自动开启或关闭的智能控制等功能。其具有智能化控制、节能、安全高效、改善环境等优点。随着社会的进步，智能照明目前已经有很大发展，很多产品已推向市场，为人们的工作和生活提供了便利。智能照明系统作为一项综合技术，其结合了计算机网络技术、无线通信技术、自动控制技术和传感器技术，并且以飞快的速度渗透到各个专业领域。智能照明系统也是使照明走向绿色可持续发展的重要方向。智能照明是未来智能家居的重要组成部分，智能化也是所有电子产品发展的必然方向之一，发展前景十分乐观。1.2国内外发展现状智能照明行业最早是从上世纪90年代进入了中国市场，但是，由于当时的市场环境不景气、产品的价格过高以及消费者的消费意识和水平达不到等各方面的影响，在国内一直没有受到人们广泛的关注。据调查，在当时国外的智能照明产品价格十分昂贵，在国内，一些知名品牌的智能照明产品达到了500元左右，一些比较抵挡品牌的产品一般在300元左右。在一般双层及以上别墅内的全套智能照明系统只需要七八千，但是这样的全套智能照明系统在国外也就相当于简单的智能开关和插座的价格。在国内，由于智能照明是一个兴起行业，智能照明系统的推广力度还需要大大加强。只有在一些高端场所或者是富裕家庭能够偶尔看到智能照明相关的产品，而在大多数人们经常活动的场所却不常见。进入21世纪后，随着经济的发展、技术的提高，路创、飞利浦Dynalite等一些国际品牌进军了中国市场，推动了国内的智能照明行业的发展，使得国内智能照明的厂家迅速发展，如海尔、瑞郎、索博等企业。随着计算机网络技术、无线通信等技术的发展，智能家居的概念被更多的商家所重视起来，受到社会的极大关注。通过技术的不断成熟，目前市场上一些有代表性的产品已基本进入了实用、可靠和成熟阶段。随着经济的进一步发展，网络技术、无线通信等技术与传媒业的高度结合，使得智能照明行业得到了更好的宣传。在不久的将来，智能照明系统将真正进入普通老百姓家里，让更多家庭能够体验到智能照明系统带来的舒适、健康方便的生活。

国内对智能照明的相关需求保持强劲增长。根据相关数据显示，到现在为止，中国“智慧城市”试点城市总数已达193个，在智能照明产品方面的需求每年就超过一千万，据专家估计，未来几年，智能照明系统将会彻底取代传统照明系统。1.3论文主要工作本系统的设计主要是基于Arduino处理器，通过硬件的搭载以及相对应软件的编程实现客厅智能照明系统的各项功能。本系统的硬件部分主要包括：LED模块、Arduino处理器模块、传感器模块和无线通信模块。通过对室内光强信息的检测与分析，以及室内是否有人活动，进行LED灯亮度的调节和LED灯的开启和关闭。在硬件功能模块的基础上，软件利用ArduinoMega2560的控制板进行编程控制。本论文的工作将从以下几个方面展开：第一章：主要介绍了本次客厅智能照明系统研究的目的及意义，同时概括了客厅智能照明系统在国内外的发展现状以及发展前景。第二章：客厅智能照明系统的总体设计，通过对现在市场情况的调查分析与研究，分析了现有的传统照明系统的优点与缺点，设计出客厅智能照明系统的总体方案并且设计每个模块所需要实现的功能。第三章：客厅智能导照明系统硬件开发与设计，将客厅智能照明所需硬件进行逐个分析，并且设计出方案，最终得出完整系统的开发方案。第四章：客厅智能照明系统软件的开发与设计，环境编译的介绍。第五章：客厅智能照明系统的调试与测试，实现各模块功能。第六章：对本课题进行总结与展望。2系统总体方案设计本章在前期对目前市场的调查与分析的基础上，通过对传统照明缺陷的分析，对客厅智能照明系统进行总体方案设计。2.1系统总体方案据调查，传统照明系统一般只能够实现单纯的开、关操作，也有能调节亮度的照明设备，但这些都需要人为操作，极其不方便。而且室内安装的灯具越多，墙壁上的开关就越多，从而影响环境的整体美观。另外，传统照明通常采用的是红外线遥控，光亮固定化无法自动调光，没有护眼功能，没有节能功能，消耗功率较大，能源浪费。相较于传统照明，客厅智能照明系统在Arduino处理器的基础上，通过硬件的搭载以及相对应软件的编程实现智能照明系统的各项功能，有着很大的优势，例如在自动开关、自动调光、软启动等方面。所以本文“客厅智能照明系统”的设计主要分为两个部分：软件程序设计部分和硬件电路设计部分。其中，软件程序设计部分由ArduinoIDE软件编程开发完成；而硬件电路部分主要由四个模块组合而成，分别是LED模块、Arduino处理器模块、传感器模块和无线通信模块。根据“客厅智能照明系统”在软硬件方面的需求，本方案决定采用光敏电阻传感器模块和人体红外传感器模块作为传感器模块，与ArduinoMega2560开发板相连接。将光敏电阻传感器和人体红外传感器放置在客厅内，用于采集光照信息和有无人体活动信息，然后将两个传感器采集到的所有数据信息下载烧录到Arduino处理器内，Arduino处理器把所有信息进行分析和处理，当处理后的数据低于或高于最初所设定的阈值时，LED模块会自动接收到Arduino处理器发送的相应指令，控制LED灯的开关和亮度，其中LED的开关使用了软启功能。Arduino处理器通过无线通信模块连接中国移动物联网平台OneNet，利用EDP协议上传光照数据，实现实时监测。客厅智能照明系统模块图如图2-1所示。图2-1系统模块图2.2主程序设计客厅智能照明系统的主程序流程图如图2-2所示。首先将人体红外传感器、光敏电阻传感器、LED灯和ESP8266无线通信模块与Arduino开发板进行连接，检查各个引脚与Arduino开发板连接准确无误后，再将Arduino开发板的USB接口与计算机端的USB接口相连接，然后通过ArduinoIDE软件烧录程序，系统将开始进行初始化，初始化完毕，进入自动控制阶段。具体流程如下：系统初始化，传感器模块、LED模块、无线通信模块、处理器模块准备开始工作；光敏电阻传感器采集周围环境光线信息；人体红外传感器采集信息；根据两个传感器采集到的信息判断感应范围内（2m）是否有人，周围环境是否较暗或者黑暗。①如果两个条件中任意一个不满足或都不满足，LED灯不亮，并且便通过无线通信模块将光线数据发送到OneNet物联网平台；②如果两个条件都满足，LED灯开始软启，并且根据环境光线调节灯的亮度，若周围环境光线较高，LED亮度下调；若周围环境光线较低，LED亮度增加，并通过WiFi模块将光线数据发送到OneNet物联网平台。回到起始点继续循环。图2-2主程序流程图2.3章节小结本章进行了客厅智能照明系统的总体设计，说明了客厅智能照明系统的总体设计方案，并根据方案设计了整体系统的模块图与流程图。详细介绍了本系统的实施流程。3系统硬件设计上一章对客厅智能照明系统的整体系统进行了设计说明，本章将进行系统各个硬件部分的设计与说明，包括LED模块、Arduino处理器模块、传感器模块和无线通信模块。3.1处理器模块Arduino通常用于开发一些各类设备的开发板，由于其是一款开源型电子开发平台，所以十分方便、灵活且易于使用。Arduino主要包含两个部分：硬件部分和软件部分。硬件，即各种型号的Arduino开发板，目前有26种，最常用的三种型号为：ArduinoUnoR3、ArduinoMega2560和ArduinoNano。它用于电路连接；软件，ArduinoIDE是Arduino的程序开发环境。用户只需要在ArduinoIDE软件中编写程序，再通过编译上传，烧录到Arduino开发板上即可，所写的程序就会告诉Arduino开发板要做些什么，以此达到控制开发板的目的。Arduino处理器可以通过各种传感器（例如光敏电阻传感器，人体红外传感器）来感知外界环境信息，然后通过控制LED或者其他的设备来改变周围的环境状态。Arduino开发板的型号有很多，根据本系统的研究背景及其初步设计，选用ArduinoMega2560开发板。ArduinoMega2560开发板相较于其他型号的开发板，其内存更大，外围设备更多，所以适合本次的客厅智能照明系统。ArduinoMega2560开发板是基于ATmega2560的微控制板，它的特点是具有多达54路数字输入/输出端口（其中15个可以作为PWM输出），特别适合需要大量IO接口的设计。处理器核心具有4路UART串行端口，16路模拟输入端口，16MHz的晶振，一个USB连接口，一个电源接口，一个ICSP/ISP接口和一个复位按钮。其电路板实物图如图3-1所示。简单地用USB连接电脑就能使用。所有资源均支持板上的一个主控制板。ArduinoMega2560电路板主要参数如表3-1所示。图3-1电路板实物图图中所标接口和器件分别为：①复位按键；②USB接口；③ATmega16U2芯片；④自复位保险丝；⑤DC2.1电源接口；⑥电源接口；⑦模拟输入接口（0-16）；⑧ATmega2560芯片；⑨ICSP/ISP接口；⑩I2C接口；⑪54个输入输出（15个PW输出）。表3-1ArduinoMega2560主要参数参数ArduinoMega2560工作电压5V推荐输入电压范围7-12V输入电压范围6-20V数字输入输出口54模拟输入输出口16每个I/O口的输出电流40mA3.3V管脚的输出电流50mA内存空间256KBSRAM8KBEEPROM4KB时钟频率16MHz3.2传感器模块3.2.1光敏电阻传感器在本设计中，采用4线制的光敏电阻传感器。光敏电阻传感器的实物图如图3-2所示。光敏电阻模块对环境光线非常敏感，由于它可以把周围光线的强弱转化成电阻值的大小的特性，所以本设计可以根据其特性来判断周围环境光线的强弱。图3-2光敏电阻传感器实物图4线制光敏电阻传感器的电路原理图如图3-3所示，工作电压为3.3V-5V，有两种输出形式：DO，数字开关量输出（0和1）；AO，模拟电压输出。光敏电阻模块两种输出结果在客厅智能照明系统中代表的实际含义和作用为：当客厅内周围环境光线亮度数据低于程序中设定的阈值时，D0端输出高电平；当客厅内周围环境光线亮度数据高于程序中设定的阈值时，D0端输出低电平。其接线说明如表3-2所示。表3-2光敏电阻传感器接线说明引脚接线说明VCC电源正极3.3-5VGND电源负极DOttl开关信号输出AO模拟电压输出图3-3光敏电阻传感器的电路原理图3.2.2红外传感器在本设计检测人员出入状态，采用的是红外线传感器。通过红外线传感器检测一定范围内是否有人活动。当有人进入其感应范围，输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。日常生活中最常见的人体红外检测的装置有很多，例如公共卫生间的自动冲水装置，人一旦离开自动冲水装置的感应范围，冲水系统就会自动冲水；还有一些公共场所的照明灯光感应装置，在夜间，人一旦走进感应装置的感应范围内，灯就会亮，人走灯灭；银行大厅的感应门等装置同样也是在人体红外传感器的基础上完成的，人靠近感应范围，门就自动打开，人离开感应范围，门就自动关闭。本设计中，采用的是HC-SR505小型人体红外传感器。HC-SR505是基于红外技术的自动控制产品，具有高度的灵敏性和可靠性，通常用于智能设备中。HC-SR505人体红外传感器实物图如图3-4所示。其电路原理图如图3-5所示，主要技术参数见表3-3。图3-4红外传感器实物图3-5HC-SR505红外传感器电路原理图表3-3HC-SR505人体红外传感器主要参数参数HC-SR505工作电压DC4.5-20V静态电流<60uA电平输出高3.3V/低0V触发方式可重复触发(默认)延时时间默认8S+-30%感应角度<100度锥角感应距离3米以内3.3LED模块本客厅智能照明系统使用发光二极管作为照明设备，其实物图如图3-6所示。发光二极管是一种可以直接把电转化为光的半导体器件，它的核心部分是一个半导体晶片。半导体晶片由两部分组成，一部分是\t"/item/LED%E7%81%AF/_blank"P型半导体，另一部分是\t"/item/LED%E7%81%AF/_blank"N型半导体，它们之间就形成一个PN结。其原理图如图3-7所示。图3-6发光二极管实物图图3-7发光二极管原理图3.4无线通信模块本设计采用的WiFi模块是ESP8266无线通信模块，其实物图如图3-8所示。属于网络层以上的设备，拥有MAC地址和IP地址，支持UDP和TCP。图3-8ESP8266实物图ESP8266引脚图如图3-9所示，引脚说明见表3-2所示。图3-9ESP8266引脚图表3-2ESP8266引脚说明引脚说明UTXD发送GND接地CH_PD高电平工作GPIO2电源GPIO16接收该模块有三种工作模式，可根据使用情况来选择：STA模式：ESP8266模块通过路由器连接到互联网，将ESP8266模块当做一个客户端来使用。STA模式原理图如图3-10所示。图3-10STA模式原理图AP模式：将ESP8266模块当做网络接入点，创建一个网络，使周围的PC机或者手机可以接入到网络里，实现相互通信。在ESP8266模块中也可以建立一个服务器，那么PC机的客户端就可以与服务器端收发数据。如果在服务器端连接一个单片机，PC机就可以直接控制单片机。AP模式原理图如图3-11所示。图3-11AP模式原理图STA+AP模式：STA模式和AP模式的共存模式，能通过互联网进行控制来实现互相切换的便捷操作。本设计使用的是STA模式，ESP8266基本用法是AT指令，AT指令是一种不需要具体编程的开发方式，直接使用电脑给模块发送相应的指令就可以实现对它的控制。AT指令对应表见表3-3所示。表3-3AT指令对应表指令描述AT+CIPSTATUS获得连接状态AT+CIPSTART建立TCP连接AT+CIPSEND发送数据AT+CWMODE=？设置工作模式。1：station模式；2：ap模式；3：ap+station复位保存当前值AT+RST复位3.5章节小结本章进行了客厅智能照明系统的硬件设计，其中介绍了系统中使用的硬件模块。主要介绍了由光敏电阻传感器和红外传感器作为传感器模块，Arduino处理器作为处理器模块，LED模块以及ESP8266作为无线通信模块的各模块的功能及特点。4系统软件设计在上一章客厅智能照明系统的硬件结构基础上，本章将通过自动控制模块以及云数据上传来进行客厅智能照明系统的软件设计。4.1自动控制模块本设计将光敏电阻传感器和人体红外传感器放置在客厅内，采集光照数据和有无人体活动数据。流程图如图4-1所示。首先系统初始化，各个模块准备开始工作；接着光敏电阻传感器和人体红外传感器采集信息，Arduino处理器读取两个传感器所采集到的数据，根据数据判断光线是否充足，室内是否有人。若室内有人，但光线充足，则LED不打开；若室内没有人，不论光线充足与否，LED仍然不打开；若室内有人，光线较暗或者黑暗，LED开始软启功能，并且根据周围环境光线的亮度调节LED的亮度。最后回到起始点继续循环。图4-1自动控制模块流程图4.2云端数据上传模块设计本设计用ESP8266作为无线通讯模块，用于上传数据到OneNet物联网平台实现实时监测室内环境光线的功能。云端数据上传与控制的流程图如图4-2所示，首先初始化ESP8266模块，依次执行检查ESP8266是否工作、设置工作模式为SAT模式、连接路由器、连接服务器的指令，然后光敏电阻传感器采集数据，将数据封装成json格式，通过ESP8266发送数据到云端，最后回到起点继续循环。图4-2云端数据上传与控制模块流程图4.3软启功能模块设计软启功能流程图如图4-3所示。开启灯光时，经过50ms的延时，灯光会由暗逐渐变亮；关闭灯光时，经过50ms的延时，灯光会由亮逐渐变暗。软启功能程序设计如下：图4-3软启功能模块流程图intruanqi(intzdld,intnowld)//zdld指定亮度nowld现在亮度{inti=nowld;if(zdld>nowld){for(i=nowld;i<zdld;){analogWrite(caideng,i);i=i+5;delay(50);}}else{for(i=nowld;i>zdld;){analogWrite(caideng,i);i=i-5;delay(50);}}returni;}4.4编译环境由于本系统是在ArduinoMega2560处理器上进行的，所以选用的软件编译环境是ArduinoIDE。ArduinoIDE和Arduino同样是一款开源电子开发平台，操作十分简单。安装界面如图4-4所示。图4-4ArduinoIDE安装界面ArduinoIDE的操作界面如图4-5所示。菜单栏：主要有五个菜单，分别是文件菜单、编辑菜单、项目菜单、工具菜单和帮助菜单。在工具菜单栏中可以查看串口监视器。工具栏：编译/验证（Verify）、上传（Upload）、新建（New）、打开（Open）、保存（Save）、最右边的是串口监视器（SerialMonitor）程序选项卡：在同一窗口中编写多个程序时才会用到，一般很少使用。代码编辑区：编辑代码的区域信息提示区：将会显示编译或者上传程序时出现的信息状态栏：最左端显示的数字代表代码编辑区中光标所在的行数，最右端显示的是当前的主控板型号和串口信息。图4-5ArduinoIDE软件操作界面在菜单栏中的工具菜单中可以选择所需的开发板型号，以及端口。开发板选择界面如图4-6所示。选择好端口和开发板型号，将USB连接口与电脑相连后就可以烧录代码，如图4-7为代码烧录成功的界面。图4-6开发板选择界面图4-7代码烧录成功界面4.5章节小结本章进行了客厅智能照明系统的软件设计说明，主要介绍了客厅智能照明系统的自动控制模块、云端数据上传模块和软启功能模块的设计。通过自动控制模块的流程图和云端数据上传模块的流程图说明了各个硬件模块的工作流程，详细说明了软启功能的代码思路，还对Arduino软件开发环境IDE进行了简介说明。5系统功能测试为了测试客厅智能照明系统的整体功能是否能达到预期设计的效果，本章对所设计的客厅智能照明系统进行了模块测试。因本系统涉及到的人体红外传感器部分在本文图片中展示效果不明显，所以本章主要针对光敏电阻传感器以及WiFi无线通信模块进行模块测试与分析。5.1光敏电阻传感器功能测试将光敏电阻传感器和LED灯连接到Arduino开发板后，通过USB端口将其连接到计算机。打开ArduinoIDE刻录程序以驱动光敏电阻传感器收集周围环境的照明信息。反应几秒钟后，系统开始工作，如图5-1所示为系统在周围环境变暗时，LED亮的实物图，实际测试中LED亮度是由暗渐渐变亮。说明系统的光数据监控功能正常。光敏电阻传感器光敏电阻传感器图5-1光敏传感器模块测试图5.2无线通信模块功能测试将光敏电阻传感器、人体红外传感器、LED灯和ESP8266模块连接到Arduino开发板，然后通过USB端口连接到计算机，端口为COM3。打开ArduinoIDE烧录程序，驱动光敏电阻传感器采集周围环境的亮度信息，人体红外传感器采集周围有无人体活动信息，如图5-2所示为串口监测界面上的WiFi连接成功界面。经过几秒的反应时间后，打开OneNet网站，如图5-3所示为OneNet网页上显示的采集到的周围环境亮度数据监测图，通过测试说明系统光照的监测与上传功能正常。WiFi连接成功WiFi连接成功图5-2串口监测器界面实时监控环境亮度数据实时监控环境亮度数据图5-3Onenet平台光照数据监测图5.3系统调试经过测试，在光线充足的客厅内，当没人时，LED不亮；当人走进室内，由于客厅内光线充足，LED仍然不亮；当拉上遮光窗帘时，由于客厅内光线较暗，LED由暗渐渐变亮；当打开遮光窗帘时，LED由亮渐渐变暗。过程中OneNet网站一直在接收数据。如图5-4所示为客厅智能照明系统的设计实物图。LED人体红外传感器ESP8266模块光敏电阻传感器LED人体红外传感器ESP8266模块光敏电阻传感器图5-4系统实物图5.4章节小结本章是对基于ArduinoMega2560处理器的客厅智能照明系统的模块测试与整体调试。通过调试，在各个模块连接正确的情况下，各模块都能够正常工作，实现了控制LED亮灭、亮度调节的基本功能，还达到了室内环境亮度实时监测的目的。6总结与展望6.1总结本系统主要通过ArduinoMega2560开发板设计一个智能照明系统，实现一系列功能可以达到节能、智能化控制、实时监测和保护眼睛等效果。主要完成的工作有：第一章阐述了智能照明系统在国内外的现状和发展前景，阐述了当今智能照明系统研究的主要发展方向。第二章通过对当前市场情况的调查研究，分析现有传统照明系统的优缺点，设计该智能照明系统的总体方案，并设计每个模块需要实现的功能。第三章将智能照明系统所需硬件系统进行逐个分析。第四章根据硬件设计计划，进行软件开发和编程，以完成系统设计的最终计划。第五章对本系统的调试与测试，实现各模块功能。通过使用ArduinoMega2560开发板，从设计到实现的一系列过程已经完成。从各个方面进行比较和选择，为系统设计选择最合适，最合理的传感器，充分了解系统实施中使用的各种传感器的设计原理，具体功能和各种参数。学习和使用ArduinoMega2560开发板的软件编程环境ArduinoIDE。6.2展望21世纪，人类生活中的各种场景慢慢的都趋于智能化，大家都追求更加简洁，方便，智能的生活环境，尤其是智能家居，具有很大的需求市场，所以研究客厅智能照明系统具有十分重要的意义。另外，本系统所设计的客厅智能照明系统，在专业智能照明系统细节方面还可以进一步提高，在后续研究中，可以在本系统的基础上，添加更加复杂的算法，它的功能不再只是简单地控制灯的开关或者是灯光的亮度，它可以利用算法预测人们的行动轨迹，预先打开人们可能前往方向的灯光，为了节约能源，灯光亮度会很低，当确定人已经进入该区域后，灯光亮度会逐渐变亮，而其他房间的灯会自动熄灭，为人们提供了一个智能、便利、环保的照明环境。智能照明技术将得到越来越快的发展，在不久的将来，智能照明充分展示它的各种优势，并将不可避免地取代传统照明。致谢至此，毕业论文的结束代表着我在大学四年的学习之路即将结束，但这并不意味着我人生的学习之路到此结束！回顾四年的大学生活，我非常感动，这些真实的经历成为我一生中最宝贵的记忆。在这里，我要特别感谢我的老师、同学和家人在我求学期间的无限支持和帮助。感谢我的指导老师xxx老师。在他的精心指导下我完成了本篇论文，石老师在前期的帮助让我对“客厅智能照明”系统的设计有一个很清晰的思路，让我知道如何顺利的完成本次设计。后期老师在我的论文撰写方面给了我很多建议，也发现了我的一些错误，让我能够及时改正。感谢至诚书院信息工程学院所有的老师们，在大学四年里的学习基础对我来说非常重要，是你们让我能够静下心来，在知识的海洋中吸取更多的营养。通过撰写这篇论文，我可以更系统和更全面地学习本专业的理论知识，并且可以借鉴许多专家和学者的宝贵经验，这些宝贵经验对于我今后的工作和所服务的公司而言无疑是不可多得的宝贵财富。同时我也很感谢我亲爱的同学们，我们不仅在学习中互相进步、互相关心，在生活中也互帮互助，让我在校园生活中不止获得了知识，也收获了友情。最后，我要感谢我的家人，是你们在我十几年学习和生活中的支持和鼓励，使我成功完成了学业。我将在未来的生活中更加努力，不辜负大家的期望！

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