LED智能灯设计

蒋佳 郑家城 张健

摘要：自从20世纪70年代以来，随着人工智能的不断发展，智能家居的普及，照明系统的发展也逐渐成熟，LED智能照明系统因其使用寿命长，能耗少，效果丰富多彩的特点，使LED智能灯成为世界照明的主流。本设计对LED智能灯的发展和历史做了研究，重点介绍了LED智能照明系统的架构和核心硬件技术。目前市面上的智能灯并不能满足广大用户的更多需求，现在我们采用了基于蓝牙技术开发的智能灯系统，此系统的核心芯片是蓝牙芯片，采用蓝牙通信技术实现设备终端与LED智能灯的通信。不仅丰富了用户的使用体验，而且又完成了智能灯的设计。

关键词：LED;智能;照明;环保;节能

中图分类号：TU113.6        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）20-0207-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 绪论

近年来，随着科技的高速发展，照明系统的发展逐渐成熟，人工智能已经遍及生活的方方面面。市场上传统的功能单一、低自动化水平的LED灯已经不再能满足人们的需求，人们希望更加能有更加智能的家居生活品。国内智能照明在LED照明领域已火热多年。然而，在过去几年，智能照明多是“雷声大雨点小”，主要体现为，国内智能照明产业尚未形成一定规模、市场接受程度较低、智能照明技术不成熟等问题。到了2019年，这一局面有了很大改觀，智能照明不再“不温不火”，站在风口的智能照明更显前景无限，2014年—2017年智能照明规模市发展趋势如图1所示。

2 LED智能灯特点

较普通灯LED智能灯优势：

（1）多变换

LED智能灯光源可利用红、绿和蓝三原色，它可以产生256*256*256（即16777216）种颜色，形成不同光色的组合。LED组合的颜色多种多样，可实现各种动态变化和各种图像。

（2）自动化

LED智能照明控制系统是一种自动操作，不需要手动操作，因此在实际应用中，人们不需要关注其开关。照明控制系统可以使用感应或红外线技术来实现感应操作。这样不仅能让灯光随时为人们服务，还可以在一定程度上节约能源，实现环保和节能。

3 系统设计思路

（1）全开全关和记忆功能

整个照明系统的灯可以完全打开，一个按钮完全关闭。当你在要睡觉或者是出门之前，可以通过按Full或者Off按钮关闭所有照明。免除了你跑遍全部房间的烦恼。

（2）定时控制功能

通过个人的时间安排管理模块，可以对智能灯进行定时的控制功能。例如，在看书的时候将灯光调节到一个合适亮度;在深夜，自动关闭全部的灯光照明。

（3）场景设置

针对固定模式的场景、你不需要一个个开关灯和调光，只需要输入命令，就能够一键控制一系列灯，这就是场景设置功能。只需输入一次命令即可实现多组灯光场景的切换;还能够得到想要的灯光和多种设备连接的场景，如办公模式、影院模式、餐厅模式等。

（4）手机遥控

其实质就是“输入设备”，即可视化操作界面。从手机到控制设备，这里还涉及信号传输的问题，手机设备可以通过WIFI或者红外线传输信号，所以我们使用的控制设备必须能够具备至少两种的无线传输方式。

从实际情况方面讲，例如智能家居，通过手机或者计算机，可以直接操控灯的开关、颜色搭配，亮度调节等。这里用的便是Wifi或者Bluetooth无线传输。当然，还有一个控制器，是隐蔽安装的。

针对设计的智能硬件，我们需要从三个方面考虑方案：硬件设备、硬件连接和手机控制软件。

①硬件设备

Arduino是一个界面非常友好的硬件开发工具，即是对硬件一窍不通的软件开发者，都能够在Arduino开发板上进行硬件开发。

②硬件连接

硬件连接成功之后，你需要为它设计一个简单耐用的外壳来密封开发板，电线和LED灯。

开发板上外接的LED灯，工作原理都相差无几，开发板上有三个引脚，每个引脚连接一个LED灯，需要把这三个引脚都连接到Arduino开发板上。如图2-1所示。

作为个人开发的智能硬件，它必须是更人性化的产品。开发人员可以模仿3D模型软件来描绘有用的外形，然后通过打印机将其变为现实，然后将其与我们之前的智能硬件组合在一起。

为了开发外部的Bluetooth模块，我们选择了HC-07并将它们连接到Arduino开发板，如图2所示。

在开发板上设计了一个外部开关按钮来控制LED智能灯。

控制LED灯开关的功能，就可以将以上硬件连接在一起，通过Bluetooth执行命令。

③手机控制软件

手机端必须要控制LED智能灯，首先我们要开发一个能安装在手机端的APP，通过Bluetooth技术控制LED灯，然后启动APP，查找要连接Bluetoothde 设备，点击连接;连接完成后，滑动模块，就能够控制灯光的亮度。

开关/亮度调节：通过Bluetooth或者Wifi连接手机后，可以根据个人的需要，控制LED灯的亮度和控制他的开关，打造合适的灯光氛围。

控制和制定颜色：根据手机APP的应用软件对应的功能，可以根据自己的喜好设定每个LED灯的色彩;也可以使用APP上的吸管工具吸取图片上的颜色。

定时控制：手机APP上有一个相当于定时闹钟的功能，我们可以根据自己的时间安排设置作息时间。

状态显示：支持移动APP全局控制，无论您身在何处，打开应用程序，您都可随时控制LED灯泡的使用。

4 控制硬件的设计

所谓“硬件”，是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等[8]。

选择Arduino MEXA、HC-07Bluetooth模块，LED灯模块和引脚开关按钮以后，我们就需要把它们连接在一起并使用他们。

由于同一开发板需要连接多个外部硬件，因此需要Arduino扩展板了。

Arduino支持多种扩展板，其中有一种可用于将引脚按引脚电源VCC接地GND的顺序放入Arduino板。一组组的连接便于开发人员即插即用。这样开发板就能够解决VCC接口不够用的情况。如图3所示。

将Arduino开发板和扩展板连接好之后，引脚就被扩展出来了。如图4所示。

5 系统软件的设计

接下来设置在手机上如何控制LED灯。

（1）界面设计

智能灯不同于传统灯具，而是智能设备的一种，除了智能灯体，还有一个手持智能控制设备，本设备具备计算能力和网络联接能力，通过应用程序，功能可以不断扩展[13]。界面设计属于系统软件的一部分，系统软件又称系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行[8]。

首先，我们选择用Android Studio新建一个安卓应用工程，把Bluetooth聊天应用复制过去，删除相关的代码，然后在这个代码上进行修改。只需要按照下面的步骤做即可，如图5所示。

③ 给Seekbar添加監听器，当用户滑动小滑块时，监听器可以根据小滑块当前的位置，来发送数据给LED灯。在发送之前请确保手机已连接到LED发送命令。

现在，一个可以控制LED灯的手机控制应用程序已经完成。如图5所示。

6 实验结果及分析

这项设计的主要目的是设计和开发一种LED灯系统，为更环保的人们服务。LED照明技术的发展和应用引起了国内外光源产业的广泛关注，现已成为具有发展前景和影响的高技术产业[4]。

该项目不同于传统的照明灯系列，更重要的是，它是一个独立的设备，提供了一个高效的能源管理方案，确保有效的维护和减少由于照明控制故障造成的能源浪费。此外，它的制造和维护成本也比市面上的同类产品要低得多。该项目的一个重要特点是，它可以根据一天中的特定时间自动控制LED灯的亮度，尤其是在不需要全亮度照明的情况下，从而降低功耗。它可以根据定时系统自动激活和关闭照明，达到最高的效率。它是一种更便宜、更环保的选择。它还提供了一种成本效益高的方法来管理各种应用的照明系统。在使用时打破了传统照明开关的限制，或者通过连接Wifi，Bluetooth等多种方式打开LED智能灯，为消费者提供了更便捷、更人性化的服务。本设计采用的硬件主要是Arduino开发板和通用型单片机。通用型单片机具有比较丰富的内部资源，性能全而且适应性强，可满足多种应用需求。

智能LED灯就设计完了。虽然这只是一个非常实用的智能灯硬件原型，但您可以根据自己的经验为您的体验添加更多有用的功能。例如，添加红色，绿色，和蓝色灯泡，使LED灯更加丰富多彩;同时增加了移动终端控制软件的功能，并设置了不同的场景，使LED灯能可以在不同的场景中改变不同的光色和亮度。用积木拼出更多形状有特点的LED灯模型，然后我们以后就可以根据此模型来设计LED智能灯，如图6所示。

7 总结与展望

（1）总结

现在的智能化家居并不是真正意义上的智能，所有的智能设备都需要最终接入到手机这个智能终端通过人为的干预来实现所谓的智能化操作。针对传统照明功能单一、现有LED智能灯用户体验差等问题，设计了一种基于蓝牙的智能灯系统。该系统以BK3231蓝牙芯片为核心，采用Bluetooth SPP和HID协议，实现移动终端设备与智能照明设备的连接与通信，在满足用户照明需求的同时，还实现了音乐律动、摇一摇、自拍等趣味控制功能。如果你在阅读，只需轻触一下遥控，就能让柔和的灯光为你制造气氛，以至于不容易疲劳。如果你加班很晚，只需轻触一下APP，让温馨的灯光在您到家的那一刻为您点亮。LED智能灯已经不仅仅是一个照明产品，更是您生活的伴侣，提高您的生活质量。

（2）展望

一切的科技成果都是为了人类更好的生活，科技的迅速发展，人类社会越来越文明。从前，为了发展经济我们严重破坏了自然生态平衡，给我们的家园带来了很多的天灾人难。现在我们已经意识到了节能环保的重要性。

21世纪，各行各业都在倡导绿色能源，可再生能源。在照明这一方面来说，最环保节能的就是LED智能灯了。从创新的角度来看，LED智能灯有巨大的前景和市场;从市场价格来看，产品价格高，但是随着国内科技技术的不断提高，价格不会成为广大群众使用的问题。仅仅是照明的效果已经满足不了人们的需求，人们对审美的观念也越来越高，LED智能照明将会得到普及，科技与审美的结合也是未来的发展趋势。

参考文献：

[1]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]周润景.单片机原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[3]周志敏.LED照明技术与应用电路[M].北京：电子工业出版社，2013.

[4]胡子牛，张伟，肖雅金，尹辉.一种基于单片机的智能LED照明灯设计[J].电脑知识与技术，2017（2）：220-222.

[5]张德喜，郑琳.基于单片机的声光开关控制系统的设计与实现[J].电子测试，2016（8）：17-18.

[6]James Lee.智能LED照明需要创新的管控和调光[J].单片机与嵌入式系统应用，2018（6）：91-92.

[7]易子川，徐畅，李伟. 基于蓝牙的智能灯系统设计[J].电子设计工程，2018（8）：45-51.

[8]李红岩，郑明秋. 基于Android系统的智能电灯控制系统的设计与研究.中国管理信息化，2015（11）：143.

【通联编辑：王力】