殷瑤 楊倩茹 龔梽瑋 王岫鑫

摘 要 基于生命信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)以 STC12C5A60S2 單片機(jī)為核心，結(jié)合脈搏傳感器、心電傳感器、血氧傳感器、紅外傳感器、光強(qiáng)傳感器等的功能，根據(jù)生理信號(hào)和環(huán)境信息控制 LED 燈使其發(fā)出不同亮度、色彩以及色溫的光，從而滿足人們不同的情景照明需求，真正實(shí)現(xiàn)因“你”而亮（“你”指的是人和環(huán)境）。

關(guān)鍵詞 傳感器 LED 情景照明 通信模塊

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）07-0023-03

1 研究目的及意義

為了滿足人們?nèi)粘５恼彰餍枨蟮耐瑫r(shí)還要做到電能的節(jié)約，本系統(tǒng)在保持原有電力布局的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化的設(shè)置。本系統(tǒng)打造的LED燈能夠?yàn)槿藗儬I造溫馨、浪漫、多彩的氛圍，不僅如此，本系統(tǒng)還可以對(duì)人體不健康的狀況予以示警。這樣的照明系統(tǒng)能夠更好的為人類的生活提供便利。

本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點(diǎn)就是將照明和人與環(huán)境相結(jié)合[1]，真正實(shí)現(xiàn)因“你”而亮，“你”指的是人和環(huán)境。它不需要你手動(dòng)操作，而是根據(jù)生理信號(hào)和周圍的環(huán)境信息自動(dòng)控制照明燈的亮度、色彩以及色溫，從而為人們提供一種舒適多彩的照明環(huán)境。

2 功能分析

現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的產(chǎn)品大多是以傳感器感知人體存在時(shí)反饋并進(jìn)行單純的燈光照明[2]，而本作品增加了生理信息采集模塊進(jìn)行人體生物信號(hào)的感知和反饋，生理信號(hào)采集模塊對(duì)心率、脈搏信號(hào)采集并通過藍(lán)牙發(fā)送到軟件進(jìn)行分析處理后進(jìn)行不同的燈光反饋，可以從不同生理信號(hào)反饋的不同燈光得知人體的健康狀況，還可以對(duì)人即將進(jìn)行的活動(dòng)予以提醒，對(duì)危險(xiǎn)的人體健康狀況予以警示。

系統(tǒng)具有以下幾個(gè)功能：自動(dòng)亮滅、明暗調(diào)節(jié)、情景照明、生理控制、健康預(yù)警、時(shí)間提醒。

3 內(nèi)容與技術(shù)

3.1 硬件

系統(tǒng)主要是由信息采集模塊、藍(lán)牙模塊、集中控制器（EEC）、LED驅(qū)動(dòng)模塊和接收終端組成。首先是信息采集模塊[3]，它將采集到的紅外信息、生物信息和其他信息通過從發(fā)送端傳送給藍(lán)牙，其次藍(lán)牙模塊把信息傳輸給EEC，最終起到核心控制作用的就是EEC模塊，EEC處理分析這些采集的生理信息并發(fā)出控制信號(hào)。其中，發(fā)送端與接收端之間采用電力載波通信技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信，通過低壓220V電力線連接。在電力載波模塊接收端捕獲電網(wǎng)中的載波信號(hào)之后，將濾波和譯碼后的信號(hào)通過SPI口傳遞給微控制器單元;微控制器單元解析并處理接收到的信號(hào)，輸出相應(yīng)的PWM信號(hào);LED驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)PWM信號(hào)[5]判斷是否點(diǎn)亮或調(diào)節(jié)各路LED燈的亮度，從而可以達(dá)到調(diào)節(jié)色彩、亮度以及色溫、自動(dòng)控制亮滅的目的，具體流程圖如圖1所示。

3.1.1 生理信號(hào)采集模塊

生理信號(hào)采集模塊主要分為3大模塊：藍(lán)牙發(fā)送電路、傳感電路以及電源電路。其中電源模塊主要是用ASM1117芯片[6]及相關(guān)電路進(jìn)行5V到3.3V穩(wěn)壓以及可以進(jìn)行電量檢測(cè)。傳感電路主要由SON1303和SON3130芯片及相關(guān)電路組成。衡量傳感器好壞的一大標(biāo)準(zhǔn)就是信噪比，反射率提高，測(cè)量感度提高，從而引起信噪比的提高。想要芯片的反射率更高，就需要波長小，如570nm的綠光就比900nm的紅外光反射率更高。SON1303芯片即是利用這一原理，它采用反射式光電傳感器使測(cè)量方式，通過改變傳統(tǒng)的紅外光來提高反射率?，F(xiàn)多應(yīng)用于可穿戴式心率傳感器、運(yùn)動(dòng)心率儀等。最后藍(lán)牙發(fā)送電路主要是cc2540芯片及相關(guān)電路組成，用于將采集到的心率、脈搏信號(hào)發(fā)送出去。

3.1.2 光強(qiáng)傳感器模塊

光強(qiáng)傳感器模塊采用BH1750芯片組成電路。BH1750是半導(dǎo)體制造商ROHM為適應(yīng)以移動(dòng)電話手機(jī)為首的便捷式機(jī)器和液晶電視等電器的要求而開發(fā)出的具有優(yōu)良光譜靈敏度特性的數(shù)字環(huán)境亮度傳感器。這也意味著可以省略一直以來必須進(jìn)行的外部演算處理。無論外界環(huán)境明暗程度如何它都類似于人類視覺對(duì)亮度的感應(yīng)機(jī)制，能夠進(jìn)行大范圍的亮度測(cè)定。

3.1.3 人體感應(yīng)傳感器模塊

人體感應(yīng)傳感器選擇的是型號(hào)為HC-SR501人體感應(yīng)模塊[7]，它是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)，具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)模塊有三個(gè)引腳，即電源、地和輸出引腳。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)辦公室中如果有人，但200秒之內(nèi)都沒有人有動(dòng)作，導(dǎo)致感應(yīng)模塊輸出低電平的情況基本不會(huì)發(fā)生，所以將延時(shí)時(shí)間調(diào)到最大就可以滿足監(jiān)測(cè)要求。同時(shí)，將感應(yīng)距離調(diào)節(jié)也到最大。在通電后有一分鐘左右的初始化時(shí)間，一分鐘后進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

3.1.4 電力載波通信模塊

電力載波通信模塊是基于載波芯片MI200E設(shè)計(jì)而成。MI200E是一款高性能的高集成數(shù)?；旌陷d波通信芯片，專門針對(duì)低壓電力線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的高度集成、高性能的電力線載波通訊芯片?？梢蕴峁┹d波偵聽和有效偵指示信號(hào)。其特點(diǎn)有內(nèi)置開關(guān)電容帶通濾波器（BPF）內(nèi)置數(shù)字功率放大器（DPA）、內(nèi)置CRC-16硬件校驗(yàn)電路、可適用于不同環(huán)境的傳輸速率、可變擴(kuò)頻增益等，采用SOP24封裝?，F(xiàn)芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于路燈控制系統(tǒng)、安全報(bào)警系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、路燈控制系統(tǒng)等方面。

3.2 軟件

集中控制器軟件設(shè)計(jì)、接收終端軟件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)中兩個(gè)主要的部分。兩個(gè)部分都需要先初始化設(shè)備。首先是接收終端軟件設(shè)計(jì)，采集的生物信號(hào)在集中控制器中經(jīng)過解析譯碼處理后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號(hào)向各個(gè)支路廣播信息，軟件會(huì)根據(jù)反饋的生物信息下達(dá)命令，在確定收到命令之后，進(jìn)行解碼、譯碼、向支路上廣播信息等步驟。其次是集中控制器軟件設(shè)計(jì)，軟件會(huì)自動(dòng)判斷是否捕獲到載波信號(hào)，如果是，就進(jìn)行以下步驟：接受信號(hào)、解碼地址位、校驗(yàn)地址位、解碼數(shù)據(jù)位、輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)的分析處理輸出三路PWM信號(hào)分別控制紅、綠、藍(lán)三組LED燈具的亮度，從而可以達(dá)到調(diào)節(jié)亮度、色彩以及色溫的目的。

4 應(yīng)用和前景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益發(fā)展，智能家居與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用息息相關(guān)，相關(guān)應(yīng)用層出不窮。作為智能家居的一部分，照明與人們生活息息相關(guān)，其中如何對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行更人性化、智能化的控制也成為了智能家居中舉足輕重的一部分，智慧情景照明系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，智慧生活逐漸與人和環(huán)境相結(jié)合，隨著“互聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的到來，智慧情景照明系統(tǒng)智慧化、信息化、人性化、綠色化已成為未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。此系統(tǒng)不但綠色環(huán)保，節(jié)約能源，還可以提升城市的形象、美化居室環(huán)境，給人們提供更加安全和舒適的照明。

5 結(jié)語

基于生物信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點(diǎn)就是將照明和人與環(huán)境相結(jié)合。擁有自動(dòng)亮滅、明暗調(diào)節(jié)、情景照明、生理控制、健康預(yù)警、時(shí)間提醒等多項(xiàng)功能。硬件和軟件設(shè)計(jì)都新穎實(shí)用，電力載波技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)等技術(shù)也都合理運(yùn)用，根據(jù)信息采集模塊采集的生理信號(hào)（心電、血氧、脈搏等）、紅外信號(hào)以及光強(qiáng)信號(hào)，利用終端控制器對(duì)LED進(jìn)行控制，改變燈光以符合人們隨時(shí)的需求，在創(chuàng)造舒適健康環(huán)境的同時(shí)還能節(jié)能環(huán)保，真正實(shí)現(xiàn)因“你”而亮。生物信息反饋的智慧情景照明系統(tǒng)還有很多正在發(fā)掘的優(yōu)點(diǎn)和潛力，如可以廣泛用于長期有老人生活的家庭等。

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