基于多传感器信息融合的智能照明系统设计

发布时间：2022-03-02

　　摘要：针对传统照明系统电能利用率低、调光性能差、不能集中控制等不足，提出了基于多传感器信息融合的LED智能照明系统，探讨了系统的基本原理和实现方法，并给出系统的硬软件设计方案。人体红外传感器和光敏传感器所采集的信息，经过单片机的融合，利用先进的PWM调光技术，产生PWM信号，根据环境的亮度和监测范围内是否有人，控制LED打开和关闭，LED的开启和关闭采用逐渐变化的形式，避免人的眼睛受到剧烈的亮度变化，保护人的视力。同时，LED的亮度与环境亮度成反比，实现“按需照明”。多个LED通过无线收发模块与上位机相连，实现上位机对LED的监测和控制。实验结果表明，系统结构简单、体积小、实时性好、运行稳定，能够智能感应和控制、并且节约电能，可应用于矿井、廊道、地下停车场等场合，应用领域广泛。

　　关键词：物联网;智能照明;多传感器信息融合;光敏探测;人体红外感应

　　0 引言

　　LED 被称为第四代照明光源或绿色光源，LED 的发光器件是冷光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、可控性强等诸多优点 [1]。

　　随着计算机技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子技术的迅速发展和相互渗透，照明控制技术有了很大的发展。而 LED 光源体积小、启动迅速，调节明暗、频繁开关却不影响性能等特点正符合照明智能调控的方向，二者相融合，LED 智能照明应运而生。

　　借助于发达的互联网技术和通信技术，多个 LED 可以通过无线收发模块接入互联网，用户通过个人电脑或者手机应用软件监测和控制 LED 成为可能。

　　如果说技术成熟的传统照明产品满足了用户关于照明的基本需求，那么，LED 智能照明则让照明变得更节能、高效、智能、人性化。

　　1 系统总体方案

　　利用光照传感器监测室内光线的强弱，人体红外感应传感器探测人体的特性，传感器将监测到的数据传送给单片机，单片机作为整个系统的控制中心，根据传感器反馈回来的数据，控制 LED 照明设备的开启和关闭，达到“人来灯亮，人走灯灭”的效果。LED 灯的开启和关闭采用缓慢地逐渐变化的形式，人眼感受到的不是亮度的剧烈变化，既节省了电能，又保护人的视力，还延长灯的使用寿命，提高智能照明系统人性化水平 [2]。

　　本系统不仅实现独立的单灯模块的智能照明功能，而且定时将每个灯开启的次数和照明时间的长短等信息通过互联网上传到上位机，上位机则通过无线接收发送终端接收数据进而实现对 LED 的监测;同时，上位机可以通过无线接收发送终端对 LED 下发命令，例如停止工作或开始工作，实现对 LED 的控制。根据应用环境的变化，系统上位机与 LED 的关系可由一对一转变为一对多。

　　图 1 是系统的模块划分框图，主要分为七个模块：光照感应模块，人体红外感应模块，控制模块，PWM 模块， LED 驱动模块，单片机无线收发模块，上位机无线收发终端模块。

　　2 系统硬件设计

　　■ 2.1 光照感应模块

　　系统选用 S1087 作为光照传感器，此传感器的核心器件是光敏二极管。入射光越强，电阻越小，将光的变化转换为电的变化。

　　■ 2.2 人体红外感应模块

　　人体正常的温度恒定的在三十七摄氏度左右，所以会发出特定波长的红外线，人体红外传感器就是靠探测人体发射的特定波长的红外线而进行工作的。系统选用 HC-SR501 为人体红外感应模块，该探测器是基于红外线技术的自动控制模块。人进入其感应范围特定端口会输出高电平，反之，离开感应范围端口自动延时并且输出低电平 [3]。

　　■ 2.3 STM8 单片机

　　系统采用 STM8 单片机作为控制中心，选择这款型号的单片机主要是考虑到其具有 PWM 和 AD 转换作用，使得外围电路得到大大地简化，同时产生的 PWM 信号可直接与驱动芯片相连，使得整个系统的成本降低了很多 [4]。

　　■ 2.4 LED 驱动模块

　　用于驱动串联 LED 的恒流源选用 PT4115，它内置功率开关，采用高端电流采样设置 LED 平均电流。并且 PT4115 能够接收标准逻辑脉冲，用来控制 DIM 脚，进而控制 LED 阵列亮度，引脚可以接受模拟调光和很宽范围的 PWM 调光，使得 PT4115 成为精密功能 LED 驱动器或者恒流源的理想器件 [5]。

　　3 系统软件设计

　　■ 3.1 主程序的设计

　　主程序是整个系统软件部分的基础和框架，可分为五大模块：光照(AD)模块、人体红外感应模块、PWM 模块， C1101 无线收发模块，上位机模块。其基本流程图如图 2 所示。

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　　系统上电后，时钟和各模块初始化。单片机定时采集信号处理电路的输出电压转换成 ADC 值。ADC 的值采集五次，计算平均值，这样可以一定程度的过滤小范围的波动，防止错误的出现。当光照的平均值小于某一设定的阈值时，单片机调用红外模块判断是否有人，在有人的情况下，单片机通过 PWM 点亮 LED 灯，并且是以 PWM 占空比逐渐增大的方式，等 PWM 占空比增长到某一固定的值，该值与光照强度成反比，延时 10s，给用户提供 10s 的饱和照明时间，再一次判断监测区域是否有人，以此循环 [6]。

　　■ 3.2 单片机无线收发模块

　　单片机通过 SPI 协议控制 CC1101 的数据传输。在本系统中，单片机作为主设备，CC1101 为从设备，CC1101 接收单片机的时钟信号。STM8 单片机有专门的硬件 SPI 接口，因此可通过该接口连接 C1101[7]。

　　■ 3.3 上位机无线收发终端模块

　　CC1101 接收终端由 8051 单片机控制，其作用是控制 CC1101 接收 LED 发送过来的数据包，通过 USB 虚拟串口转发到个人计算机 [8]。软件流程图如图 3 所示。

　　■ 3.4 LED 模块向上位机终端发送数据包格式

　　LED 终端通过通信模块向上位机定时主动上传开启次数和开启时间。在监测区域内，可以支持多个智能照明灯同时工作，每一个智能照明灯有唯一的编号。智能照明灯向上位机(个人计算机)周期发送的数据包共有 5 个字节组成，分别标识终端编号，LED 点亮次数，LED 点亮时间和校验位，其格式定义如表 1 所示。个人计算机接收到数据包后，依表 1 中所列格式解析出智能照明灯的编号、在一定时期之内点亮次数和点亮时间 [9]。

　　4 实验及分析

　　本系统实验样机的工作参数如下：LED 驱动电路开光频率 1MHz，LED 驱动电流 350mA，LED 调光频率 256Hz。实验表明，系统能长时间稳定运行，可实现智能调光，并且没有闪烁。

　　图 4 是 LED 在环境黑暗并且有人靠近时的 PWM 波形，该波形的占空比正处于上升阶段，当前占空比约为 40%。

　　5 结束语

　　与其他 LED 智能照明系统相比，本系统的优势主要集中在四个方面：第一，无需人工干预，智能感应控制。第二，人性化按需照明，根据环境的黑暗程度调节 LED 灯的亮度。第三，LED 灯的开启和关闭采用渐变的形式，起到保护视力的作用。第四，多灯联网，通过上位机可以监测和控制 LED 灯，方便用户的使用。此外，本系统结构简单，实用性强，可应用于矿井、廊道、地下停车场等场合，可以达到很好的照明、节能、环保的效果。——论文作者：董大波，张萍，牟晓玲

　　参考文献

　　* [1] 贾冬颖 , 王巍 . 基于 STC 单片机 LED 智能照明系统的设计 [J]. 照明工程学报 ,2010 21(2):71~80.

　　* [2] 张玲 , 郝翠霞 . LED 隧道照明控制系统的研究与开发 [J]. 照明工程学报 .2011,22(4),3640.

　　* [3] 赵玲 , 朱安庆 . 智能 LED 节能照明系统的设计 [J]. 半导体技术 ,2008 33(2):137~140.

　　* [4]BISHOP Brock,KARTHICK Rajamani.Dynamic power manag ement for embeded system.Proceedings of the IEEE Internatio nal SOC Conference,2003:17-20.

　　* [5] 陈海明 . 国外白光 LED 技术与产业现状及发展趋势 [J]. 半导体技术 .2010,35(7),621~625.

　　* [6] 黄辉等 . 基于单片机的智能 LED 灯照明系统 [J]. 电子设计工程 ,2011 19(18):154~156.

　　* [7] 刘从宁 , 施云波 , 修德斌等 . 面向氯气安全监测的无线传感网络系统 [J]. 仪表技术与传感器 .2012,1:46-48.

　　* [8] 李晶 . 基于 CC1101 的短距离无线通信网络的设计：[ 学位论文 ]. 成都 : 电子科技大学 ,2011.

　　* [9] 梁纯 , 王军 . 基于 MCS-51 单片机的 LED 点阵图文显示屏设计 [J]. 工矿自动化 .2005,6,90~92.