家用照明智能调节控制系统的设计

牛茂原 张贺 周恩龙 任文号 张国征

一、家用照明智能调节控制系统的设计的介绍

本设计采用⼀种以STM32F103单⽚机为主控单元，利用LD3320语音模块和ESP8266无线WiFi模块对家用灯具进行无线控制。灯源选择的是能耗低，显色度好的LED光，配合光敏电阻实现LED 灯光照强度的自动调节，控制信号通过PWM 输出占空⽐实现对灯光亮度的控制。同时灯光主要为两种色度：冷色光和暖色光，丰富照明控制系统。用户可根据自己不同的需求进行按键控制、有限距离内的语音控制和无线WiFi控制灯的工作情况。

本设计主要包括以下两个部分：输入部分和输出部分。输入部分可分为：第一方面通过有限距离内的无线语音、WIFI无线智能控制、按键控制来实现灯具的外部控制;第二方面，系统自身内部可通过光敏电阻感应室内外光线强弱来进行自身的调节。输出部分中主要是通过光线百分比大小（占空比）驱动PWM来调节LED灯电压的大小。

（一）外部调节

1、语音控制模块：

识别模块核心部件为LD3320芯片，語音控制系统是将使用者的声音通过传感器传送到LD3320芯片的A/D模块，A/D模块将声音信号转换为数字量，再传送到单片机，单片机通过得到的指令对灯光进行控制;

2、ESP8266无线WiFi传输模块：

以ESP8266芯片模块构建了WiFi无线局域网并实现了WiFi无线网络与UART串口之间的控制信号转换，最终通过An-droid手机应用程序实现了一个家用LED灯的智能控制系统;系统采用STM32F103单片机为主控制器实现了室内人体红外感应、光照检测等环境参数的感知;

3、按键控制：

具有触摸功能的 LCD 显示屏可以让用户有效的与系统进行交互，使得开关控制与个性化照明控制功能得以实现，灯具配有三个操控端，用户可以通过固定的电子屏查看光照数据，也可以通过手机微信端操控，还可以通过微型遥控器改变设置。三种方式都可以实现对灯光的开关进行控制。灯光操控划分为自动挡和手动挡，既可以让灯具自行检测光照进行调节，也可以通过手动强制改变亮度，在基础数据模式中，也可以选择更低或更高光照度区间以适应不同人群的身体素质。

（二）自身调节

光敏电阻模块：

利用光敏电阻的数据采集，进行无线模块的数据传输，进而实现PWM技术自动调节亮度的功能。光敏电阻和数据发送模块，上位机搭载 LCD 显示屏和无线数据接收模块。然后利用光敏电阻与模拟数字量转换器，并通过无线模块发送到上位机，通过光线百分比的大小来驱动 PWM 来调节对 LED灯具电压的大小，进一步实现对灯光的控制。

二、本设计的创新点与特色

（一）本设计的创新点

1、智能化控制。系统采用手机作为控制端，WiFi无线技术作为信号传递手段，语音作为控制命令，使用方便，可操作性强。

2、语音识别范围广、能力强。系统可识别汉语、英语及日语等多种常用语种，并且在日常使用过程中，根据使用者语言习惯，自我扩充语音识别库容量，增强识别能力。

3、自我智能调节照明模式。系统利用光敏电阻以及各类传感器，根据室内外照明情况，选择合适的光强与光色，节约能源，保护使用者视力健康。

4、产品安全性能高。系统采用WiFi无线控制，解决了电线布线难题，消除了因电路老化而带来的安全隐患。

（二）本设计的特色：

1、人性化设计。系统可在使用过程中，自动记录使用者的习惯，自我扩充，提供不同的照明环境。

2、便捷健康。采用语音及无线控制，位使用者带来方便;各类灯光模式智能调节，保护使用者的健康。

3、绿色环保。系统整体耗能低、使用电线少，节省经济费用的同时，，助力我国绿色环保发展。

三、实现本设计的技术路线以及拟解决的问题

（一）语音识别模块

声音传感器接收到声音信号，启用LD3320芯片语音识别模块，通过LD3320芯片的高精度模数转换接口进行AD转换，然后对语音流进行频谱分析，根据分析结果提取语音特征信息至语音识别器，通过检测其是否有与LD3320芯片数据库相符合的关键词语（拼音串）的输入，从而找出匹配度最高的关键词语作为识别结果，并将识别检测的结果传输给STM32单片机，单片机再做出反应并执行相应与语音指令相匹配的具体控制动作。LD3320芯片语音识别模块处于间歇性工作状态，当接收到的语音指令与指令库中的指令成功匹配时，STM32单片机将根据控制指令控制照明模块的开关或进行亮度的调节;当接收到的语音指令无法与指令库中的指令成功匹配时，则认为此次语音识别任务失败，LD3320芯片语音识别模块将放弃本次识别任务转而由单片机控制，跳转到下一个识别程序，等待执行新的语音识别任务。

拟解决的问题：

在嘈杂的环境中或者其他的场合中对语音识别系统造成干扰，以至STM32单片机做出错误的动作;每个用户所处的地区可能不同，并且发音习惯不同，对特定词语的发音也会不同，以及发音是否清晰、语音识别列表中各词汇之间的相似程度，发音是否清晰对系统能不能做出准确的反应处于主导地位;

（二）光敏电阻模块

LCD 显示屏可以让用户有效的与系统进行交互，使得开关控制与个性化照明控制功能得以实现

自动控制：光敏电阻的数据采集，进行无线模块的数据传输，进而实现PWM技术自动调节亮度的功能。光敏电阻和数据发送模块，上位机搭载 LCD 显示屏和无线数据接收模块。然后利用光敏电阻与模拟数字量转换器，将光敏电阻采集的数据通过算法转变为0-100% 的数字量区间并通过无线模块发送到上位机，通过光线百分比的大小来驱动 PWM 来调节对LED灯具电压的大小，进一步实现对灯光的控制。

手动控制：此时用户根据自身的需要强制进行光照的调节，调节的数据通过算法转变为0-100% 的数字量区间并通过无线模块发送到单片机，通过光线百分比的大小来驱动 PWM 来调节对 LED灯具电压的大小，来控制亮度。

拟解决的问题：

在灯具进行检测调节光照的基础数据模式中，不同人群适应的光照强度不同;对用户经常使用的数据进行记录，使得用户在下一次的使用更舒适。

（三）ESP8266无线WiFi传输模块

ESP8266模块的初始化之后，并由此模块构建WiFi无线局域网，之后ESP8266模块与单片机采用UART串口连接可以实现串口到WiFi无线网络之间的控制信号转换;接着ESP8266以当UDP通信方式获取手机移动端的MAC地址并且向手机端、LED显示屏以及微型遥控器发送数据，数据成功发送后使用定时器继续进行数据收发。WiFi网络测试正常后，打开手机客户端软件输入账号和密码登录系统，即进入控制界面实现对家中LED灯的开关操作。开关操作由一组按钮完成，LED的实际开关状态由一组灯标显示，高亮和灰暗分别表示灯的亮灭。经测试AP服务器的定时信息收发功能正常，手机客户端发出的控制信息经AP服务器转发给单片机，并最终由单片机控制LED灯的开关;而单片机将实时的LED灯开关状态通过UART-WiFi接口转换后发送给手机客户端，手机界面能正确显示室内LED的亮灭情况。另外在手机客户端发出开灯信号后调光 LED的工作根据环境明暗情况进行智能调光。

拟解决的问题：

WiFi无线局域网所覆盖的范围距离有限，当信号差时不容易控制设备;

（四）STM32中央处理模块

中央处理模块采用STM32单片机，它相当于机器人的大脑，集中处理和控制协调全部的信息，然后实现对各部分结构的控制。控制器主要用于接收语音识别模块、光敏电阻模块、ESP8266无线WiFi传输模块发送的数据并将这些数据上传至运算器。运算器将接收到的数据进行处理，來驱动 PWM 来调节对 LED灯具电压的大小，实现对灯光的控制。

参考文献

[1]吕庭，高维强，殷昊.基于Wi-Fi的家用智能照明控制系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26（07）：70-74.

[2]梁肖裕，李彦君，苗晨.家用智能照明系统的设计与实现[J].数字通信世界，2018（07）：145.

[3]娄德成，陈沂，陈文博，董昊宁.基于语音识别的智能家电控制系统的设计[J].机电信息，2019（15）：107-108.

作者简介：牛茂原（2000.01-），女，山东省潍坊市，华北水利水电大学电力学院 学生，本科，无。