随着社会的发展，人们生活水平的提高，大家对生活品质的追求也日益增高，照明灯光是生活中*的部分。传统的灯光控制和维护手段已经远远不能适应城市现代化发展的速度，传统的方式缺少总开、总关、调光等智能控制功能，人们经常在需要全关灯时寻找各处的开关面板逐一操作关闭，且不可以调节灯的亮度，带来不便。人们希望能随心所欲地控制发光亮度，按照需要实现各种场景功能，操作简单，要求系统具有良好的扩展性和可维护性，因此，智能灯光控制系统应运而生。对于灯光控制系统的研究，将有助于推动整个智能家居系统的发展。

一、智能灯光与智能建筑的简介

目前国内绝大多数建筑的照明系统都还停留在灯光控制的早期阶段，即通过手动操作位于负载回路中的开关、断路器等电气设备实现对照明电器的开、关控制。以一路开关同时控制多个照明设备的情况十分常见，因无法对每一盏灯进行单独控制而带来的资源浪费不容小视。伴随着经济发展，现代化水平不断提升，照明系统的应用范围越来越广，对照明系统的要求也越来越高。照明再也不仅仅停留于最基本的达到用户视觉上的明暗要求，人们更希望照明系统能够适用于不同应用场景，带来更加丰富、舒适的体验与视觉享受。例如，的人来灯亮，人走灯暗或人走灯灭；靠近窗户处的灯较暗，随着与窗户的距离增大灯具的亮度逐渐增强；在客厅接待客人与看电影希望有*不同的照明环境；地下车库的灯光控制需要根据实时情况决定等。而早期的灯光控制系统已远远无法满足这些实际应用的要求。

智能建筑的概念自提出就受到了广泛关注。建筑智能化以各种信息技术为基础，充分应用建筑、自动化、人工智能、网络、通信、系统集成等领域的*技术，构建一个覆盖整个建筑甚至建筑群的一体化的、自动化的、智能化的平台，给人们提供一个舒适、节能环保、安全、便利、人性化的办公或生活环境；同时，人们可以方便的通过智能化平台对建筑中的各系统进行监控、管理、控制以满足各种不同的场景需求。智能灯光系统是智能建筑的重要组成部分，但是与门禁、视频监控等系统相比，智能照明控制系统发展较慢。很多安装了*楼宇自动化、办公自动化、通信自动化系统的智能建筑仍然在使用传统的手动灯光控制的方法，显得与周围环境格格不入。因而，智能灯光控制系统有着十分广阔的发展前景，同时也到了必须得到大力发展的时期。

二、智能灯光控制系统的发展研究现状

灯光控制的发展主要经历了如下三个阶段：

（1）手动控制阶段：手动控制是灯光控制的最初控制方式，即通过人工手动操作安装在负载回路中的开关、断路器来实现对照明灯具的开关控制，达到控制目的，控制*依赖于人。这种最原始的控制方式因其十分可靠，目前仍出现在绝大多数的建筑中，哪怕是现代化程度较高的智能建筑。但是这种控制方法无法满足特定环境下的调光要求，无法提供个性化的照明，无法方便的对照明系统进行集中化的管理。

（2）自动控制阶段：电气、电子技术的不断发展让各类传感器、微控制器等电子元器件的集成度越来越高，使这些器件应用于灯光控制系统成为可能。灯光控制系统进入自动控制阶段的标志是用声、光、电等技术控制照明器件。虽然灯光控制系统的自动化程度有所提升，但是仅局限于单个或单组灯具的控制，难以实现网络化监测与控制。

（3）智能控制阶段：控制科学的发展现今已进入智能控制的阶段，智能控制将控制理论与人工智能的技术、理论与运筹学的优化方法相结合，在未知的环境下，仿效人的智能实现对系统的控制。随着智能控制技术的不断发展与完善，其已在许多方面得到了应用，智能灯光控制就是其中的一个应用领域。智能灯光控制系统融合了计算机、网络通信、微处理器、自动控制等技术，对经传感器采集到的照明实况数据进行分析、处理并通过控制算法产生控制信号，控制照明电路中相应的设备，达到用户的照明需求，营造良好的照明环境与氛围。智能灯光控制系统通过对电气照明的自动控制，在给用户提供良好照明环境的同时降低照明系统的电能消耗。与手动照明控制相比，智能灯光控制系统具有可以营造不同照明环境气氛、改善工作环境、提高工作效率、节省能源、延长光源使用寿命、便于集中化管理、维护方便等优点。

目前，主要的智能灯光控制系统仍采用有线通信方式，这给旧房屋的照明系统改造带来了困难，为了给灯具加上智能的控制系统还需要重新布线，另外在原有系统中增设新的灯具也都需要重新布线，阻碍了智能灯光控制系统的推广；其次，当灯光系统结构发生变化时，控制系统不能自适应调整控制器参数以适应新的环境，还需要专业人员重新设置控制器参数并通过不断调试最终确定；另外，天然光光色自然、具有质感，可以提供人工光源所无法提供的光照体验，应该充分利用天然光照，当天然光照无法满足室内照明需求时再辅以人工照明，这样不仅可以节约电能同时还可以让人们享受更加舒适的照明环境，遗憾的是现有智能灯光控制系统还缺乏类似的功能；最后，智能灯光控制系统无法准确判断人的具体位置和人员数量，缺少能在室内准确检测人体并实时定位的方法。

三、无线传感器网络与智能灯光控制系统方案设计

1、无线传感器/执行器网络简介

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSNs）由部署在监测区域的大量传感器节点构成，传感器节点之间通过无线方式进行通信，形成自组织网络，具有泛在感知、数据采集处理和无线传输等功能，目的是让观察者获取监控区域感知对象的信息。虽然无线传感器网络已经在诸如军事、现代农牧业、环境监测与预报、医疗护理、智能建筑、桥梁状态监控等领域取得了广泛应用，但是在无线传感网络中没有执行器，因而无法改变监控区域的物理环境。

无线传感器/执行器网络（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSANs）衍生于WSNs。无线传感器/执行器网络由大量的传感器节点和少量执行器节点构成，与WSNs的不同是引入了执行器节点，使得WSANs不仅具有监测的功能，同时还有改变环境的能力，实现与环境的交互，达到控制目标。协同是WSANs的重要特征，无线传感器/执行器网络不仅要求传感器与传感器之间进行通信，更要求传感器与执行器之间、执行器与执行器之间都能够协同通信，以实现控制目标。传感器与执行器之间的协同主要用于建立从传感器到执行器的数据传输路径，以支持数据从传感器节点传到执行器节点；当在监控区域内检测到事件并将事件报告给执行器节点后，执行器需要通过协同来重构事件、估计事件特性、就行动方案和如何实施联合做出最准确的控制决策，这就是执行器与执行器之间的协同。WSANs具有易于部署、低功耗、低成本、实时性强、容错性强、灵活多变等优势，特别适用于智能灯光控制系统。

2、基于WSANs的智能灯光控制系统的研究现状

将无线传感/执行器网络技术应用到智能灯光控制系统，可以减轻控制系统布线的负担，降低安装、维护费用。另外WSANs采用协同控制思想，在网络拓扑变化、节点加入或移除等情况下，能够适应变化而无需进行整体重新配置，使得系统更加灵活。目前，基于WSANs的智能灯光控制已经成为研究的热点问题。

以上研究中凡涉及灯光控制方案的，基本都以系统模型准确为前提，当系统模型变化较大时控制器需要重新整定。但是在实际中，外界自然光随时间、天气等因素改变，控制目标点的变动，这些都会使被控对象模型改变。设计出适用于智能灯光控制，当系统结构变化后能够自适应改变控制策略的控制算法仍需要广大研究者继续深入研究。

3、室内人体检测与定位技术的研究现状

人体检测与定位技术在智能灯光控制系统中占有重要地位，是整个控制系统的眼睛。准确判断室内是否有人并确定人的位置是后续控制决策正确的重要保证，许多灯光控制策略都基于人体检测。常见的用于人体检测的传感器有被动红外传感器（PIR）、超声波传感器、RFID，但它们都有不足之处。被动红外传感器可以感知区域中温度场的变化，当人静止或动作较很小，可能无法检测出人的存在，会出现虽然人坐在工作台前工作而灯却因PIR没有检测出人的存在而熄灭的情况，这将大大降低用户体验。另外，被动红外传感器的感知区域存在间隙，且距离传感器越远间隙越大，在间隙中的运动也将无法被检测。被动红外传感器也无法确定人的准确位置。超声波传感器对运动物体过于敏感，窗外的落叶甚至从空调吹出的空气都会引起传感器的动作，因而无法准确反映人是否在检测区域。RFID技术通常标识了人的身份，因而如果用RFID技术来检测人的位置存在隐私保护问题。

传统的人体检测传感器存在误检测等问题，研究人员逐渐将注意力转移到新的检测方法，如图像处理技术。将摄像头作为传感器，通过图像处理等相关技术检测人的存在与否并确定位置坐标。通过学习人体头部特征，利用在很多开放式办公场所中已安装的监控摄像头，确定视频画面中人体头部的数量，实验结果表明该方法具有较高的准确性。较多研究者通过建立背景模型，在摄像头得到的视频图像中去除背景，从而得到前景即人的图像信息，实现人体检测。

四、智能灯光系统的方案设计思路

1、智能灯光控制器系统工作原理

系统工作原理框如图1,系统包括开关控制器面板和底板，底板主要包括开关执行单元，过零检测电路及电源模块。底板主要完成开关执行动作，过零检测和电源取电功能。面板主要包括RF数据接收、数据处理、按键处理、传送开关控制信号、操作提示等功能。本系统可通过手动按键、RF遥控两种方式实现开关控制器进行打开、和关闭操作。

2、智能灯光硬件方案的选择

1）电源管理模块：实现直流电源转换（5 V转为3.3 V）功能。本设计采用贴片封装线性直流电源IC,其输入电压范围为：4.25V～10V；输出电压范围为：3.267V～3.365V；输出电流可达到800mA。在电源输入端加二极管防止电源反接，用磁珠、钽电容、磁片电容来减小输入电源的纹波，以便得到干净电源。

2）MCU及外围电路：主要功能为数据解析、数据处理、传送控制信号。基于以后升级和扩展考虑，其MCU选用包含8K Byte FLASH，512 ByteEEPROM,1K Byte SRAM，并支持ISP功能的集成度高、性价比高、低功耗ATMEGA8L AVR单片机（双路调光用ATMEGA16L）,其硬件资源可满足本产品的设计要求及以后系统升级用。其外围电路采用阻容复位电路；同时预留外置晶振电路。

3）RF模块：RF模块采用现有的CC1101射频模块。

4）按键电路：主要完成手动控制的功能。基于产品超薄式设计理念，并结合产品外观考虑，设计中采用贴片式轻触按键，按键压力为180g，按键寿命可达到10万次。

3、智能灯光的关键性能指标实现

1）低功耗：本系统设计时，着重考虑产品低功耗及环保设计。在器件的选型上尽量采用低功耗且具有环保标志的元器件，例如采用高集成度、性价比高、低功耗模块。

2）RF遥控距离：本系统设计综合考虑RF模块布局及底板对其影响，分别采用单独供电、远离干扰源、电路板淘空、模块供电加滤波电容等措施加以改善RF接收灵敏度，从而实现远距离遥控功能。

3）动作响应速度：本系统设计采用较高的工作频率，以达到指令处理速度，从而实现遥控与手动控制的快速响应（响应时间≤0.2S）。

4）保护电路设计：在底板加入压敏电阻、NTC来有效抑制浪涌电流，从而达到保护产品的作用。

4、智能灯光系统安规设计

火线最小爬电距离不小于3MM。高压区与低压区的最小爬电距离不小于8MM，不足8MM或等于8MM的。须开2MM的安全槽。高压整流滤波的正负之间的最小安全距离不小于2MM。

5、智能灯光的电磁兼容设计

1）在电路板上每个IC上并接一个0.01～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。但应注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，而这会影响滤波效果。2）布线时应避免90°折线，并尽量减少高频噪声发射。3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚应尽量靠近，并用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳要接地并固定。在能使用低速晶振的场合尽可能选用低速晶振。4）VCC和GND之间接电解电容及瓷片电容，以去掉高、低频干扰信号。

6、智能灯光系统环境条件的实现

在元器件选型时，充分考虑到每个元器件的使用环境，能够满足以下要求：工作温度：0～50℃；存储温度：-20～70℃；相对湿度：45%-80%；大气压：90~110kPa；

7、智能灯光方案的可扩展性与超小设计

1）面板MCU板接口预留一个I/0引脚，方便以后的扩展。2）在PCB布局时，电路板上摆放元器的位置与结构配合使得产品达到超薄的效果，以便适用于市面上各种86预埋底盒的尺寸。

五、智能灯光控制器的PCB布局设计

面板元件布局如图2。

1、各PCB模块接口定义如下

（1）物理连接：面板与底板连接线包括电源线和控制线；RF模块接口包括电源线和数据通信线。

（2）数据通讯：数据通讯包含了上面提到的控制线和数据通信线，它们均采用单工通信方式，由MCU集中管理与维护。

2、PCB板设计

（1）接口位置定义：面板与底板接线端子已做到符合接插件放置电路板边缘原则，以便生产安装操作及提高产能。

（2）芯片布局：因为要与结构配合使得产品达到超薄的效果，MCU放置于电路板左下角。稳压芯片既靠近电源接线端子，又靠近MCU,以达到纹波小的效果。RF模块远离蜂鸣器等干扰源，以提高数据接收的灵敏度。

3、PCB走线原则

1）高频数字电路走线在pcb设计中做到了细而短。2）大电流信号、高电压信号与小信号之间在pcb设计中注意隔离（隔离距离与承受的耐压有关，通常情况下在2KV时板上距离2mm，在此之上则按比例算加大，例如若要承受3KV的耐压测试，则高低压线路之间的距离应在3.5mm以上，许多情况下为避免爬电，还在印制线路板上的高低压之间开槽。）3）双面板布线时，两面导线在pcb设计中尽量做到相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输人与输出的走线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间加接地线起隔离作用。4）尽可能走45度角的走线方式。5）走线尽可能避免穿过射频模块，射频模块底下电路板做淘空处理。6）光耦底下尽可能避免走线，以免干扰到光耦。

六、智能灯光系统方案总结

本文主要对人体检测、实时定位与智能灯光控制两大内容进行了研究。并主要介绍了灯光控制系统的硬件设计部分，整个控制系统采用了模块化设计，其主要的好处是扩充灵活，增加系统的兼容性。该控制器硬件电路设计可靠，工作情况良好。使人们可以根据自己的需求控制灯光，同时延长了灯泡的寿命并起到了节能的效果。在科技快速发展的今天，智能家居产品有着十分广阔的社会和商业前景。

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