智能家居
- 首頁 >> 解決方案 >> 物聯(lián)網(wǎng) >> 智能家居
智能燈光方案開發(fā)
隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，大家對生活品質的追求也日益增高，照明燈光是生活中不可或缺的部分。傳統(tǒng)的燈光控制和維護手段已經遠遠不能適應城市現(xiàn)代化發(fā)展的速度，傳統(tǒng)的方式缺少總開、總關、調光等智能控制功能，人們經常在需要全關燈時尋找各處的開關面板逐一操作關閉，且不可以調節(jié)燈的亮度，帶來不便。人們希望能隨心所欲地控制發(fā)光亮度，按照需要實現(xiàn)各種場景功能，操作簡單，要求系統(tǒng)具有良好的擴展性和可維護性，因此，智能燈光控制系統(tǒng)應運而生。對于燈光控制系統(tǒng)的研究，將有助于推動整個智能家居系統(tǒng)的發(fā)展。
一、智能燈光與智能建筑的簡介
目前國內絕大多數(shù)建筑的照明系統(tǒng)都還停留在燈光控制的早期階段，即通過手動操作位于負載回路中的開關、斷路器等電氣設備實現(xiàn)對照明電器的開、關控制。以一路開關同時控制多個照明設備的情況十分常見，因無法對每一盞燈進行單獨控制而帶來的資源浪費不容小視。伴隨著經濟發(fā)展，現(xiàn)代化水平不斷提升，照明系統(tǒng)的應用范圍越來越廣，對照明系統(tǒng)的要求也越來越高。照明再也不僅僅停留于最基本的達到用戶視覺上的明暗要求，人們更希望照明系統(tǒng)能夠適用于不同應用場景，帶來更加豐富、舒適的體驗與視覺享受。例如，最簡單的人來燈亮，人走燈暗或人走燈滅；靠近窗戶處的燈較暗，隨著與窗戶的距離增大燈具的亮度逐漸增強；在客廳接待客人與看電影希望有完全不同的照明環(huán)境；地下車庫的燈光控制需要根據(jù)實時情況決定等。而早期的燈光控制系統(tǒng)已遠遠無法滿足這些實際應用的要求。
智能建筑的概念自提出就受到了廣泛關注。建筑智能化以各種信息技術為基礎，充分應用建筑、自動化、人工智能、網(wǎng)絡、通信、系統(tǒng)集成等領域的先進技術，構建一個覆蓋整個建筑甚至建筑群的一體化的、自動化的、智能化的平臺，給人們提供一個舒適、節(jié)能環(huán)保、安全、便利、人性化的辦公或生活環(huán)境；同時，人們可以方便的通過智能化平臺對建筑中的各系統(tǒng)進行監(jiān)控、管理、控制以滿足各種不同的場景需求。智能燈光系統(tǒng)是智能建筑的重要組成部分，但是與門禁、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)相比，智能照明控制系統(tǒng)發(fā)展較慢。很多安裝了先進樓宇自動化、辦公自動化、通信自動化系統(tǒng)的智能建筑仍然在使用傳統(tǒng)的手動燈光控制的方法，顯得與周圍環(huán)境格格不入。因而，智能燈光控制系統(tǒng)有著十分廣闊的發(fā)展前景，同時也到了必須得到大力發(fā)展的時期。
二、智能燈光控制系統(tǒng)的發(fā)展研究現(xiàn)狀
燈光控制的發(fā)展主要經歷了如下三個階段：
（1）手動控制階段：手動控制是燈光控制的最初控制方式，即通過人工手動操作安裝在負載回路中的開關、斷路器來實現(xiàn)對照明燈具的開關控制，達到控制目的，控制完全依賴于人。這種最原始的控制方式因其十分可靠，目前仍出現(xiàn)在絕大多數(shù)的建筑中，哪怕是現(xiàn)代化程度較高的智能建筑。但是這種控制方法無法滿足特定環(huán)境下的調光要求，無法提供個性化的照明，無法方便的對照明系統(tǒng)進行集中化的管理。
（2）自動控制階段：電氣、電子技術的不斷發(fā)展讓各類傳感器、微控制器等電子元器件的集成度越來越高，使這些器件應用于燈光控制系統(tǒng)成為可能。燈光控制系統(tǒng)進入自動控制階段的標志是用聲、光、電等技術控制照明器件。雖然燈光控制系統(tǒng)的自動化程度有所提升，但是僅局限于單個或單組燈具的控制，難以實現(xiàn)網(wǎng)絡化監(jiān)測與控制。
（3）智能控制階段：控制科學的發(fā)展現(xiàn)今已進入智能控制的階段，智能控制將控制理論與人工智能的技術、理論與運籌學的優(yōu)化方法相結合，在未知的環(huán)境下，仿效人的智能實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。隨著智能控制技術的不斷發(fā)展與完善，其已在許多方面得到了應用，智能燈光控制就是其中的一個應用領域。智能燈光控制系統(tǒng)融合了計算機、網(wǎng)絡通信、微處理器、自動控制等技術，對經傳感器采集到的照明實況數(shù)據(jù)進行分析、處理并通過控制算法產生控制信號，控制照明電路中相應的設備，達到用戶的照明需求，營造良好的照明環(huán)境與氛圍。智能燈光控制系統(tǒng)通過對電氣照明的自動控制，在給用戶提供良好照明環(huán)境的同時降低照明系統(tǒng)的電能消耗。與手動照明控制相比，智能燈光控制系統(tǒng)具有可以營造不同照明環(huán)境氣氛、改善工作環(huán)境、提高工作效率、節(jié)省能源、延長光源使用壽命、便于集中化管理、維護方便等優(yōu)點。
目前，主要的智能燈光控制系統(tǒng)仍采用有線通信方式，這給舊房屋的照明系統(tǒng)改造帶來了困難，為了給燈具加上智能的控制系統(tǒng)還需要重新布線，另外在原有系統(tǒng)中增設新的燈具也都需要重新布線，阻礙了智能燈光控制系統(tǒng)的推廣；其次，當燈光系統(tǒng)結構發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)不能自適應調整控制器參數(shù)以適應新的環(huán)境，還需要專業(yè)人員重新設置控制器參數(shù)并通過不斷調試最終確定；另外，天然光光色自然、具有質感，可以提供人工光源所無法提供的光照體驗，應該充分利用天然光照，當天然光照無法滿足室內照明需求時再輔以人工照明，這樣不僅可以節(jié)約電能同時還可以讓人們享受更加舒適的照明環(huán)境，遺憾的是現(xiàn)有智能燈光控制系統(tǒng)還缺乏類似的功能；最后，智能燈光控制系統(tǒng)無法準確判斷人的具體位置和人員數(shù)量，缺少能在室內準確檢測人體并實時定位的方法。
三、無線傳感器網(wǎng)絡與智能燈光控制系統(tǒng)方案設計
1、無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡簡介
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks,WSNs）由部署在監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點構成，傳感器節(jié)點之間通過無線方式進行通信，形成自組織網(wǎng)絡，具有泛在感知、數(shù)據(jù)采集處理和無線傳輸?shù)裙δ?，目的是讓觀察者獲取監(jiān)控區(qū)域感知對象的信息。雖然無線傳感器網(wǎng)絡已經在諸如軍事、現(xiàn)代農牧業(yè)、環(huán)境監(jiān)測與預報、醫(yī)療護理、智能建筑、橋梁狀態(tài)監(jiān)控等領域取得了廣泛應用，但是在無線傳感網(wǎng)絡中沒有執(zhí)行器，因而無法改變監(jiān)控區(qū)域的物理環(huán)境。
無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSANs）衍生于WSNs。無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡由大量的傳感器節(jié)點和少量執(zhí)行器節(jié)點構成，與WSNs最大的不同是引入了執(zhí)行器節(jié)點，使得WSANs不僅具有監(jiān)測的功能，同時還有改變環(huán)境的能力，實現(xiàn)與環(huán)境的交互，達到控制目標。協(xié)同是WSANs的重要特征，無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡不僅要求傳感器與傳感器之間進行通信，更要求傳感器與執(zhí)行器之間、執(zhí)行器與執(zhí)行器之間都能夠協(xié)同通信，以實現(xiàn)控制目標。傳感器與執(zhí)行器之間的協(xié)同主要用于建立從傳感器到執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳輸路徑，以支持數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點傳到執(zhí)行器節(jié)點；當在監(jiān)控區(qū)域內檢測到事件并將事件報告給執(zhí)行器節(jié)點后，執(zhí)行器需要通過協(xié)同來重構事件、估計事件特性、就行動方案和如何實施聯(lián)合做出最準確的控制決策，這就是執(zhí)行器與執(zhí)行器之間的協(xié)同。WSANs具有易于部署、低功耗、低成本、實時性強、容錯性強、靈活多變等優(yōu)勢，特別適用于智能燈光控制系統(tǒng)。
2、基于WSANs的智能燈光控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
將無線傳感/執(zhí)行器網(wǎng)絡技術應用到智能燈光控制系統(tǒng)，可以減輕控制系統(tǒng)布線的負擔，降低安裝、維護費用。另外WSANs采用協(xié)同控制思想，在網(wǎng)絡拓撲變化、節(jié)點加入或移除等情況下，能夠適應變化而無需進行整體重新配置，使得系統(tǒng)更加靈活。目前，基于WSANs的智能燈光控制已經成為研究的熱點問題。
以上研究中凡涉及燈光控制方案的，基本都以系統(tǒng)模型準確為前提，當系統(tǒng)模型變化較大時控制器需要重新整定。但是在實際中，外界自然光隨時間、天氣等因素改變，控制目標點的變動，這些都會使被控對象模型改變。設計出適用于智能燈光控制，當系統(tǒng)結構變化后能夠自適應改變控制策略的控制算法仍需要廣大研究者繼續(xù)深入研究。
3、室內人體檢測與定位技術的研究現(xiàn)狀
人體檢測與定位技術在智能燈光控制系統(tǒng)中占有重要地位，是整個控制系統(tǒng)的眼睛。準確判斷室內是否有人并確定人的位置是后續(xù)控制決策正確的重要保證，許多燈光控制策略都基于人體檢測。常見的用于人體檢測的傳感器有被動紅外傳感器（PIR）、超聲波傳感器、RFID，但它們都有不足之處。被動紅外傳感器可以感知區(qū)域中溫度場的變化，當人靜止或動作較很小，可能無法檢測出人的存在，會出現(xiàn)雖然人坐在工作臺前工作而燈卻因PIR沒有檢測出人的存在而熄滅的情況，這將大大降低用戶體驗。另外，被動紅外傳感器的感知區(qū)域存在間隙，且距離傳感器越遠間隙越大，在間隙中的運動也將無法被檢測。被動紅外傳感器也無法確定人的準確位置。超聲波傳感器對運動物體過于敏感，窗外的落葉甚至從空調吹出的空氣都會引起傳感器的動作，因而無法準確反映人是否在檢測區(qū)域。RFID技術通常標識了人的身份，因而如果用RFID技術來檢測人的位置存在隱私保護問題。
傳統(tǒng)的人體檢測傳感器存在誤檢測等問題，研究人員逐漸將注意力轉移到新的檢測方法，如圖像處理技術。將攝像頭作為傳感器，通過圖像處理等相關技術檢測人的存在與否并確定位置坐標。通過學習人體頭部特征，利用在很多開放式辦公場所中已安裝的監(jiān)控攝像頭，確定視頻畫面中人體頭部的數(shù)量，實驗結果表明該方法具有較高的準確性。較多研究者通過建立背景模型，在攝像頭得到的視頻圖像中去除背景，從而得到前景即人的圖像信息，實現(xiàn)人體檢測。
四、智能燈光系統(tǒng)的方案設計思路
1、智能燈光控制器系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)工作原理框如圖1,系統(tǒng)包括開關控制器面板和底板，底板主要包括開關執(zhí)行單元，過零檢測電路及電源模塊。底板主要完成開關執(zhí)行動作，過零檢測和電源取電功能。面板主要包括RF數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、傳送開關控制信號、操作提示等功能。本系統(tǒng)可通過手動按鍵、RF遙控兩種方式實現(xiàn)開關控制器進行打開、和關閉操作。
2、智能燈光硬件方案的選擇
1）電源管理模塊：實現(xiàn)直流電源轉換（5 V轉為3.3 V）功能。本設計采用貼片封裝線性直流電源IC,其輸入電壓范圍為：4.25V～10V；輸出電壓范圍為：3.267V～3.365V；輸出電流最大可達到800mA。在電源輸入端加二極管防止電源反接，用磁珠、鉭電容、磁片電容來減小輸入電源的紋波，以便得到干凈電源。
2）MCU及外圍電路：主要功能為數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理、傳送控制信號?；谝院笊壓蛿U展考慮，其MCU選用包含8K Byte FLASH，512 ByteEEPROM,1K Byte SRAM，并支持ISP功能的集成度高、性價比高、低功耗ATMEGA8L AVR單片機（雙路調光用ATMEGA16L）,其硬件資源可滿足本產品的設計要求及以后系統(tǒng)升級用。其外圍電路采用阻容復位電路；同時預留外置晶振電路。
3）RF模塊：RF模塊采用現(xiàn)有的CC1101射頻模塊。
4）按鍵電路：主要完成手動控制的功能?；诋a品超薄式設計理念，并結合產品外觀考慮，設計中采用貼片式輕觸按鍵，按鍵壓力為180g，按鍵壽命可達到10萬次。
3、智能燈光的關鍵性能指標實現(xiàn)
1）低功耗：本系統(tǒng)設計時，著重考慮產品低功耗及環(huán)保設計。在器件的選型上盡量采用低功耗且具有環(huán)保標志的元器件，例如采用高集成度、性價比高、低功耗模塊。
2）RF遙控距離：本系統(tǒng)設計綜合考慮RF模塊布局及底板對其影響，分別采用單獨供電、遠離干擾源、電路板淘空、模塊供電加濾波電容等措施加以改善RF接收靈敏度，從而實現(xiàn)遠距離遙控功能。
3）動作響應速度：本系統(tǒng)設計采用較高的工作頻率，以達到最高指令處理速度，從而實現(xiàn)遙控與手動控制的快速響應（響應時間≤0.2S）。
4）保護電路設計：在底板加入壓敏電阻、NTC來有效抑制浪涌電流，從而達到保護產品的作用。
4、智能燈光系統(tǒng)安規(guī)設計
火線最小爬電距離不小于3MM。高壓區(qū)與低壓區(qū)的最小爬電距離不小于8MM，不足8MM或等于8MM的。須開2MM的安全槽。高壓整流濾波的正負之間的最小安全距離不小于2MM。
5、智能燈光的電磁兼容設計
1）在電路板上每個IC上并接一個0.01～0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響。但應注意高頻電容的布線，連線應靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，而這會影響濾波效果。2）布線時應避免90°折線，并盡量減少高頻噪聲發(fā)射。3）注意晶振布線。晶振與單片機引腳應盡量靠近，并用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼要接地并固定。最好在能使用低速晶振的場合盡可能選用低速晶振。4）VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，以去掉高、低頻干擾信號。
6、智能燈光系統(tǒng)環(huán)境條件的實現(xiàn)
在元器件選型時，充分考慮到每個元器件的使用環(huán)境，能夠滿足以下要求：工作溫度：0～50℃；存儲溫度：-20～70℃；相對濕度：45%-80%；大氣壓：90~110kPa；
7、智能燈光方案的可擴展性與超小設計
1）面板MCU板接口預留一個I/0引腳，方便以后的擴展。2）在PCB布局時，電路板上擺放元器的位置與結構配合使得產品達到超薄的效果，以便適用于市面上各種86預埋底盒的尺寸。
五、智能燈光控制器的PCB布局設計
面板元件布局如圖2。
1、各PCB模塊接口定義如下
（1）物理連接：面板與底板連接線包括電源線和控制線；RF模塊接口包括電源線和數(shù)據(jù)通信線。
（2）數(shù)據(jù)通訊：數(shù)據(jù)通訊包含了上面提到的控制線和數(shù)據(jù)通信線，它們均采用單工通信方式，由MCU集中管理與維護。
2、PCB板設計
（1）接口位置定義：面板與底板接線端子已做到符合接插件放置電路板邊緣原則，以便生產安裝操作及提高產能。
（2）芯片布局：因為要與結構配合使得產品達到超薄的效果，MCU放置于電路板左下角。穩(wěn)壓芯片既靠近電源接線端子，又靠近MCU,以達到紋波小的效果。RF模塊遠離蜂鳴器等干擾源，以提高數(shù)據(jù)接收的靈敏度。
3、PCB走線原則
1）高頻數(shù)字電路走線在pcb設計中做到了細而短。2）大電流信號、高電壓信號與小信號之間在pcb設計中注意隔離（隔離距離與承受的耐壓有關，通常情況下在2KV時板上距離2mm，在此之上則按比例算加大，例如若要承受3KV的耐壓測試，則高低壓線路之間的距離應在3.5mm以上，許多情況下為避免爬電，還在印制線路板上的高低壓之間開槽。）3）雙面板布線時，兩面導線在pcb設計中盡量做到相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸人與輸出的走線應盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導線之間加接地線起隔離作用。4）盡可能走45度角的走線方式。5）走線盡可能避免穿過射頻模塊，射頻模塊底下電路板做淘空處理。6）光耦底下盡可能避免走線，以免干擾到光耦。
六、智能燈光系統(tǒng)方案總結
本文主要對人體檢測、實時定位與智能燈光控制兩大內容進行了研究。并主要介紹了燈光控制系統(tǒng)的硬件設計部分，整個控制系統(tǒng)采用了模塊化設計，其主要的好處是擴充靈活，增加系統(tǒng)的兼容性。該控制器硬件電路設計可靠，工作情況良好。使人們可以根據(jù)自己的需求控制燈光，同時延長了燈泡的壽命并起到了節(jié)能的效果。在科技快速發(fā)展的今天，智能家居產品有著十分廣闊的社會和商業(yè)前景。
以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的智能燈光控制器方案詳情。如果您有智能家居控制系統(tǒng)的電子功能開發(fā)需求，可以放心交給我們，我們有豐富的電子產品定制開發(fā)經驗，可以盡快評估開發(fā)周期與IC價格，也可以核算PCBA報價。我們是多家國內外芯片代理商，有MCU、語音IC、藍牙IC與模塊、wifi模塊。我們的開發(fā)能力涵蓋了PCB設計、單片機開發(fā)、軟件定制開發(fā)、APP定制開發(fā)、微信公眾號開發(fā)等軟硬件設計。還可以承接智能電子產品研發(fā)、家用電器方案設計、美容儀器開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)、智能家居方案設計、TWS方案開發(fā)、藍牙音頻開發(fā)、兒童玩具方案開發(fā)、電子教育產品研發(fā)。
上一篇：智能插座方案開發(fā)
- 返回頂部