張海生

（海南政法職業(yè)學(xué)院 海南省海口市 571100）

1 引言

隨著信息技術(shù)的而不斷進(jìn)步發(fā)展和人們生活水平質(zhì)量不斷提升，在智能家居不斷發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的照明電燈很難同時(shí)滿足家居照明對(duì)安全性、便利性、舒適性和環(huán)保節(jié)能的需求。傳統(tǒng)的照明電燈一般只能實(shí)現(xiàn)開、關(guān)操作，也有能無線開關(guān)和調(diào)節(jié)亮度功能的照明電燈，但需要額外配備無線遙控器，多個(gè)電燈就需要多個(gè)遙控器，不僅增加成本、耗費(fèi)資源而且無記憶存儲(chǔ)功能，使用起來也不夠便利，另外手動(dòng)開關(guān)也存在一定的安全隱患，影響著人們的高質(zhì)量生活。

本文設(shè)計(jì)的基于Arduino 和APP Inventor 2 的智能燈，具有通過手機(jī)APP 遠(yuǎn)程控制照明電燈的功能，具備系統(tǒng)運(yùn)行流暢穩(wěn)定、軟硬件制作簡單、手機(jī)APP 用戶體驗(yàn)順暢、物美價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，適合于在教學(xué)和生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由MCU 控制模塊Arduino 開發(fā)板、電燈照明模塊、藍(lán)牙通信模塊和手機(jī)APP 等部分構(gòu)成。系統(tǒng)啟動(dòng)以后，首先打開手機(jī)APP 終端與系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)配對(duì)，然后發(fā)送操作指令即可對(duì)電燈進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。操作指令數(shù)據(jù)先從手機(jī)APP傳送到藍(lán)牙通信模塊；然后再傳送到MCU 控制模塊；MCU 控制模塊接收操作指令后進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的電燈控制。為了增加便利性和冗余性，系統(tǒng)還采用了通過手動(dòng)按鍵方式控制電燈。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 MCU控制模塊

Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。包含硬件（各種型號(hào)的Arduino 板）和軟件（Arduino IDE)[1]。Arduino 開源硬件平臺(tái)把電子電路和底層驅(qū)動(dòng)庫打包集成為黑箱，進(jìn)而省略了大部分與電路和硬件驅(qū)動(dòng)相關(guān)的操作，最終只剩下簡單的控制邏輯。這樣產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)人員無需學(xué)習(xí)復(fù)雜的電子基礎(chǔ)就能夠輕松制作出精良而可靠的電子創(chuàng)意作品[2]。

鑒于Arduino 開發(fā)板在開源的硬件平臺(tái)、底層和驅(qū)動(dòng)類庫資源豐富、開發(fā)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用Arduino UNO R3開發(fā)板作為主控板。Arduino UNO R3 板載資源布局如圖2 所示。

3.2 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)和語音通信開放的全球規(guī)范，它是基于低成本的近距離無線連接，為固定和移動(dòng)設(shè)備建立通信環(huán)境的一種特殊的近距離無線技術(shù)連接。藍(lán)牙作為一種小范圍（一般為10 米）無線連接技術(shù)，能在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)通信和語音通信，因此它是目前實(shí)現(xiàn)無線個(gè)域網(wǎng)通信的主流技術(shù)之一[3]。

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖2：Arduino UNO R3 板載資源布局

圖3：藍(lán)牙通信模塊連接示意圖

圖4：電燈照明模塊

圖5：下位機(jī)程序流程圖

圖6：程序初始化

圖7：選擇藍(lán)牙設(shè)備

常用的藍(lán)牙通信模塊有兩種工作方式：主機(jī)模式和從機(jī)模式。主機(jī)模式用來搜索從機(jī)設(shè)備，不能被其他設(shè)備搜索；從機(jī)模式用來被搜索，不能主動(dòng)搜索其他設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用HC05 藍(lán)牙通信模塊，只要設(shè)置相關(guān)的AT 指令該模塊既能工作于主機(jī)模式也能工作于從機(jī)模式。模塊有4 個(gè)引腳：VCC（+5V）、GND（地）、TXD（發(fā)送端）、RXD（接收端）。Arduino 的TX（發(fā)送端）和RX（接收端）分別連接藍(lán)牙通信模塊的RXD 和TXD，如圖3 所示。

3.3 電燈照明模塊

家庭用電一般是220V 的交流電，本設(shè)計(jì)采用+15V/9W 直流供電的電燈，為了能給電燈合適的工作電壓，先用變壓器將220V 交流電降壓，然后進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓，最后得到+15V 的直流電。

圖9：發(fā)送控制指令

圖10：手機(jī)APP 界面

圖11：系統(tǒng)實(shí)物圖

為了使得Arduino 能對(duì)電燈進(jìn)行開關(guān)控制，采用+15V 繼電器。當(dāng)Arduino 收到開關(guān)燈信號(hào)時(shí)，將發(fā)出高電平或者低電平信號(hào)通過NPN 三極管來控制繼電器的閉合或者斷開；為了能對(duì)電燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，采用了L29 驅(qū)動(dòng)芯片，通過Arduino 的PWM 功能進(jìn)而控制功率輸出的大小調(diào)節(jié)。電燈照明模塊如圖4 所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，其中下位機(jī)即Arduino 程序設(shè)計(jì)，上位機(jī)即手機(jī)APP 的設(shè)計(jì)。

4.1 Arduino程序設(shè)計(jì)

MCU 控制模塊Arduino 開發(fā)板的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

4.2 APP設(shè)計(jì)

App Inventor 是一個(gè)可視化的安卓應(yīng)用制作平臺(tái)，App Inventor 簡稱 ai，為了和人工智能（Artificial Intelligence）區(qū)別，簡稱用小寫。最初由谷歌公司開發(fā)，后來谷歌公司移交給MIT 維護(hù)，MIT 發(fā)布了ai 2，ai1 成為歷史不再使用。本設(shè)計(jì)使用App Inventor 2 WxBit 漢化版，這是作者基于MIT App Inventor 2 源代碼優(yōu)化定制的漢化版，并修正了ai 架構(gòu)的若干缺陷。這款軟件不需要具備一定專業(yè)知識(shí)也可以使用，軟件已經(jīng)事先將按鈕、文字輸入輸出等軟件代碼編寫成不同的模塊，用戶只需根據(jù)自己的需求拼裝就可以[4]。

程序初始化如圖6 所示。

選擇藍(lán)牙設(shè)備如圖7 所示。

開始連接選擇的藍(lán)牙設(shè)備如圖8 所示。

發(fā)送控制指令如圖9 所示。

手機(jī)APP 界面如圖10 所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試分為手機(jī)APP 測(cè)試和按鍵測(cè)試。首先，打開手機(jī)藍(lán)牙功能和APP 應(yīng)用程序，讓手機(jī)和藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后，點(diǎn)擊“開燈按鈕”，燈泡亮；點(diǎn)擊“燈光增強(qiáng)”，燈泡亮度增加；點(diǎn)擊“燈光減弱”，燈泡亮度減弱；點(diǎn)擊“關(guān)燈按鈕”燈泡滅。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖11 所示。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于Arduino 和APP Inventor 2 的智能燈，解決了傳統(tǒng)照明電燈在安全性、便利性、舒適性和環(huán)保節(jié)能等方面的局限性，通過測(cè)試證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。為智能家居和物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)提供了學(xué)習(xí)案例。系統(tǒng)只對(duì)電燈進(jìn)行了開關(guān)燈和亮度調(diào)節(jié)，還可以擴(kuò)展更多的功能，例如定時(shí)開關(guān)燈、檢測(cè)人體自動(dòng)亮燈和電量顯示等功能。