基于Arduino 的智能灯光控制系统

徐耀辉XU Yao-hui；余灵玲YU Ling-ling；王丹WANG Dan；章晓敏ZHANG Xiao-min

（宁波财经学院数字技术与工程学院，宁波315175）

1 研究内容

智能灯光控制系统通常应用于学校中，当今许多学校中的教室因电路老化只能用比较传统的照明系统：设定一个总电源，将其分流到多个支路，每个教室配备一个总的变电箱，然后支路再向不同的灯提供电，然后用按钮来控制灯具的开关，无法实现比较人性化多功能的管理方式。

因此，本系统主要研究的是基于Arduino 的智能灯光控制系统的设计与实现。通过对用户需求的分析，选取合适的硬件搭建了整个硬件系统。并通过对系统各个模块合理地编程设计，最终实现集检测温度、光照、是否有人经过、定时开关以及移动端的检测。当有人经过并且光照强度较弱的时候灯光会自动开启，当无人时灯光会关闭，到了固定的时间灯光会自动开启并且到达指定的时间自动关闭。若温度高于指定高度时，移动端会自动拨号给火警。本系统研究的主要功能如下：①采用热释电红外传感器和定时程序以及光照检测来完成节能功能，光照低于设定值并且有人时会开灯，到达指定时间会开灯。②由LED 灯、蜂鸣器和等器件来构成报警电路，在发生险情之时完成声光警报。③选用蓝牙模块将硬件跟移动端相连接，并且进行数据传输以及报警的各种操作。④软件部分则是包括定时、中断、串口通信、声光报警、温度检测等程序的设计，以此来实现声光报警和信息交互。

2 功能规划

功能包括自动开关灯功能、火情报警功能、声光报警、蓝牙远程通信。

2.1 自动开关功能

通过安装在外的红外热释电传感器以及光照传感器，实时监测是否有人经过并且检测光照强度，来实现自动开关灯，以及定时功能来控制必要的灯光的开启以及关闭。

2.2 火情报警功能

利用温度传感器，可以监测校园中是否会发生火灾隐患，并判断是否报警。

2.3 声光报警

检测到险情发生时，系统将会马上开启声光报警，灯光亮起，警报声响起，警示到来的险情。

2.4 蓝牙远程通信

检测到险情发生时，系统会在第一时间给火警的移动设备拨打电话，便于火警及时作出应对。（图1）

3 系统硬件设计

主要包括系统总体框和硬件组成两部分。

3.1 系统总体框

本系统按照功能模块可划分为：光照检测模块、温度检测模块、热释电检测模块、蓝牙远程通信模块。智能灯光控制系统总体框图如图2 所示。

3.2 硬件组成

智能灯光控制系统主要由Uno 板、HC-SR505 红外热释电传感器、DS18B20 温度传感器、HC-05 蓝牙模块、光照传感器、无源蜂鸣器。

3.2.1 Uno 板

Arduino Uno 板是当今社会上最为流行的一块开发板微处理器：ATmega328，8 位微处理器，片内包含32KB Flash（0.5KB 由BootLoader 使用），2KB SRAM，1KB EEPROM，运行时钟频率为16MHz。Uno 板上的输入/输出：有14 个输入输出口，其中，13 号引脚的线路是直接连接在自带的LED指示灯的，这个灯可做灯泡来试验程序使用。

图1 系统用例图

图2 整体框架图

3.2.2 HC-SR505 红外热释电传感器

HC-SR505 红外热释电传感器是运用到了红外线加热辐射效应的一种传感器。它的工作原理是利用红外线检测环境加热内部晶体随着环境的变化产生电效应，由于温度的变化使自传感器内部的电压发生了变化导致可以感受到热量的变化。

3.2.3 DS18B20 温度传感器

DS18B20 温度传感器测温以及读取温度的原理跟市面上大多数温度传感器操作方法相同，主要特点是读取的温度的位数会因为分辨率的不同而不同，并且检测温度的时长由平常的2 秒变为750 毫秒。

3.2.4 HC-05 蓝牙模块

这是主从一体的蓝牙串口模块，拥有4 个引脚分别为：接地，电源，RX，TX 引脚。RX 跟TX 引脚分别为输入输出引脚，当两个设备通过蓝牙连接成功之后，RX 跟TX 两个引脚会被当做串口来使用，从而蓝牙内部存在的通信协议也就会被放置一边，那么数据的传输就是一个设备将数据通过串口发送到中央处理器中，再由另一个设备从其中接收数据。

3.2.5 光照传感器

内光效应是光敏电阻特有的工作方式。它的内部电阻会随着光照强弱来发生变化，所以一般光敏电阻都是只有两个引脚，上面加了一块小的薄片，这样能够全方位的检测光照的强弱，当环境下的光照变强了，内部的电阻会变弱，所以内部产生的电流会随之增强，当光照强度变弱了，则内部电流减小来通过电阻的阻值来转换成光照的强度。

3.2.6 无源蜂鸣器

电磁感应现象被完美的利用在了无源蜂鸣器上，其工作原理是被音圈接入交变电流后形成的电磁体与内部的永磁铁相互吸引或者排斥来发声，接入的直流电只能被用来推动振膜，所以只有在刚接通和断开的时候会产生声音。无源蜂鸣器的优点在于：制作成本非常低，可以被用在和LED 复用的一个控制口等方面。

4 功能模块硬件设计与实现

本系统主要由Python 控制端、人体红外热释电传感器、温度传感器以及HC-05 蓝牙模块、声光报警电路所构成。下文将会从硬件方面介绍智能灯光控制系统，对硬件原理图简洁的描述。

4.1 主机电路设计

主机采用Arduino 来实现。单片机以及在当今社会普及了，随着集成电路的迅速发展，单片机的地位也随着水涨船高，但是根据现实以及实际系统的需要和产品的性价比比较，本系统选用了Arduino Uno 板来实现本系统的主电路板。

4.2 蓝牙远程通信电路设计

在本系统中最为重要的还是蓝牙传输的电路，HC-05蓝牙模块因为高效的传播速率脱颖而出。它与Arduino 之间通过串口连接，也通过蓝牙来传输数据，Arduino 和蓝牙模块会对串口缓存区内的数据读取和接收做出不一样的反应，从而达到数据传输和接收的功能。

5 系统软件设计与实现

5.1 红外热释检测模块设计

红外热释检测模块功能概述：本模块应用了HCSR505 红外热释电传感器来实现模块的功能，人体检测模块的主要功能如表1 所示。

表1 人体检测模块功能描述

5.2 温度检测模块设计

DS18B20 温度检测模块功能概述：本模块运用了DS18B20 温度传感器来实现检测环境中温度的功能，温度监测模块的主要功能如表2 所示。

表2 DS18B20 温度检测模块功能描述

5.3 HC-05 蓝牙通信模块设计

串口通信功能概述在本模块的设计与实现中，需要运用到串口通信来实现部分功能，串口通信所实现的主要功能如表3 所示。

表3 串口通信功能描述

5.4 光敏电阻模块设计

光敏电阻检测模块功能概述：本模块运用了光敏电阻来实现光照强度的检测的功能，光照强度监测模块的主要功能如表4 所示。

表4 光照强度检测模块功能描述

5.5 灯光按钮自主控制设计

按钮控制功能概述：本模块运用了按钮来实现自主控制的功能，按钮控制的主要功能如表5 所示。

表5 按钮自主控制功能描述

5.6 Python 端注册登录界面设计

登录界面功能概述：在本界面上规划了三个功能，账号密码登录功能，注册账号功能，人脸识别登录功能。账号密码登录功能概述如表6 所示。

表6 账号密码功能描述

5.7 主界面

主界面功能概述：在本界面上规划了两个功能，串口数据传输，定时功能。主要功能概述如表7 所示。

表7 主界面功能描述

6 结语

本次毕设旨在设计与实现一款校园智能灯光控制系统的实现。其中在原有的声控灯光中突发奇想，添加了人体检测以及温度报警检测以及移动端的检测，本质主要是想节约人力物力以及可以定时定点的开关灯，不浪费丝毫能源。

对本系统的展望：本系统的还有待提高比如嫁接在多个灯光的控制上可以实现多灯光控制，可以不用蓝牙传输更换成wifi 传输让传输的距离可以更远一点。可以再添加一点其他的检测，比如声控以及人体检测的强度比如说可以检测动物以及其他物品，达到更精准的检测。