基于多传感器信息融合的智能照明系统设计

董大波，张萍，牟晓玲

（北京电子科技职业学院，北京，100176）

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。

图1 系统原理框图

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。

图2 主程序流程图

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。

图3 无线接收发送终端软件设计流程图

■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]。

表1 发送数据包格式定义

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%。

图4 环境黑暗并且有人靠近时的PWM 波形

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。