智能照明装置创新项目的实践与探索

摘 要 本文从本科生实际情况出发，基于一个具体的智能照明装置创新项目，介绍了创新实验项目的实施过程，探讨了基于当下的各种开放开源平台，如何切实提高本科生动手创新能力的教学实践。

关键词 创新 智能照明装置 实践

中图分类号：TU113.66 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2016.01.075

Practice and Exploration of Innovation Project

on Intelligent Lighting Device

CHEN Jianxue， WANG Yujiang， WANG Xiaojun， MA Chao， LIU Xichang， KONG Xiangying

Abstract This paper introduces the experience of how to execute the innovation experiment project in college application education， that is， a practical intelligent lighting device project. Also， the method of improving the innovation ability of college students is discussed under various open platforms in information industry and technology.

Key words innovation; intelligent lighting device; practice

0 引言

创新是素质教育的关键。高等教育作为知识创新和技术创新体系的基础，其责任就是要培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才。培养大学生的创新实践能力，是高等学校教育的重要内涵，是学生自身发展和社会经济发展的要求。通过历年创新项目的实施，表明在自动化、计算机、电子信息等相关领域中，结合信息领域新技术和工程实际问题的创新项目，有效地培养了本科生的创新意识和实际动手能力。本文结合智能照明装置创新项目，探讨创新项目实施的一些具体经验。

1 创新项目的提出

智能家居是当前最热的研究方向之一，在电子设备和智能手机越来越普及的时代，智能家居的各种开发创意越来越受到重视。智能家居的照明控制系统，就是根据某一区域的功能，每天不同的时间、室外光亮度或该区域的用途来自动控制照明，是整个智能家居的基础部分。在智能照明系统中，用于灯光照明控制时能对电灯进行单个独立的开、关、调光等功能控制，也能对多个电灯的组合进行分组控制，方便用不同灯光编排组合形式营造出特定的气氛。智能照明系统中接入各种传感器对灯光进行自动控制，实现智能调光，灯具的光线自动地由暗逐渐到亮，或由亮逐渐到暗。智能照明系统应用在智能建筑中，不仅能营造出舒适的生活、工作环境以及现代化的管理方式，而且还具有一定的节能效果。

从学校大学生的实际情况出发，不能选择需要投入大量精力和资金的工业智能照明装置的技术路线，必须考虑一年以内可以完成并且可以控制成本的解决方案。为此，首先收集了 市场上智能照明工业产品的相关信息。

飞利浦推出的Hue LED智能照明解决方案代表了较为先进的技术水平，支持1600万种颜色变化以及开放式的开发接口和社区支持，使用高速32位STM方案并支持TI2530 Zigbee，操控软件上对接IOS苹果APP或者Android系统，但是其高昂的成本和售价也阻碍了产品的大规模推广。美国售价199美元起，包括一组3个LED灯加连接到路由器的Bridge设备，每额外添加一个LED灯的价格是59美元，额外添加一个Bridge设备的价格是50美元。整套系统在欧洲和英国的价格更为昂贵。在上海正式向中国市场时，初始套装售价1689元起。以上的价格均不包括家用路由器成本、手机端的软硬件成本。这样，项目组从尽可能降低成本的角度切入，参考Hue LED的产品方案来进行创新项目的设计。

Arduino是目前较为流行的电子互动平台，基于单片机系统开发，具有使用简单、功能多样、价格低廉等优点，广泛应用于电子系统设计和互动产品开发方面。Arduino接口众多，各种配件较为齐全，开发调试和部署都非常方便，已经出现非常多地使用arduino来作为智能家居开发基础设备的应用。本智能照明系统以极低成本方式实现部分Hue系统的智能照明功能，采用arduino单片机接受温度和超声波等传感器所测量的数据，根据环境的温度或物体的距离来实现灯光的自动调节。

2 创新项目的具体设计和实施

在创新项目的立项阶段，需要创新项目组成员的共同努力。这个阶段，项目组成员的知识面、技能基础和技术眼光，往往在很大程度上决定了项目后续实施的顺利程度。这个阶段，对项目组成员的要求是能把握住整个项目的整体方向和技术路线，充分收集相关的技术资料和文献，思考问题，解决问题，提高自身的创新能力和实践能力。

在大量阅读相关文献后，创新项目组确定了智能家居照明装置的硬件设计方案。智能家居照明系统包括灯光模块、核心模块和检测模块。灯光模块为Arduino Mega单片机所连接的全彩LED模块;核心模块为Arduino Mega单片机;检测模块由温度传感器、超声波传感器、热释电人体红外线传感器共同组成。项目基于arduino单片机，连接温度、超声波等传感器，分别采集环境温度、物体距离等数据，通过PWM信号输出控制全彩LED的R、G、B三原色。

硬件方案定型之后，项目组成员对智能家居照明装置进行创新创意设计，根据前期的软件基础和准备进行软件功能的设计，这时候培养了学生将创新思想落实到具体产品中并加以设计实现的能力。经过项目组团队的充分讨论，决定该项目的产品功能设计大致如下：系统中arduino功能设计为4层，模版配色功能及智能感知功能。

第一层次为简单实现Hue系统的主要功能，即提供几种固定的智能灯光配置，设想以2个LED灯泡为例，arduino以预设的调色方案去控制2个LED灯泡，比如家庭阅读方案（亮黄、亮白组合）或者夜灯方案（弱白色为主）。配置操控界面可以在Android手机上开发实现。Arduino板卡和Android手机通过蓝牙或者WiFi进行通讯。这一功能的设计主要还是立足于模仿飞利浦的Hue系统功能，侧重点在于以极低成本实现智能照明的基本功能，从这个层面上说，学生们提出的如果能以低成本实现主流功能，其实也是某种意义上的技术创新。

第二层次，在arduino上加装温度传感器，如DHT11温度传感器，实现根据环境的温度来自动开关灯或者自动调节灯的亮度。温度高时，可以开启冷光灯来补充光源，温度低时，可以开启热光灯来补充电源。

第三层次，在arduino上加装超声波传感器，初定为US-100带温度补偿的超声波模块，可以同时测距测温。这样可以实现arduino对人体的自动感知功能，该功能设计为夜间探测到人体后自动亮灯，并且随着人体的走近逐步自动加亮LED灯，待夜间行动人体逐渐远离之时，arduino又会自动逐步减弱LED发光强度直至灭灯。

第四层次，在arduino上加装热释电红外传感器，通过热释电红外传感器采集室内是否有人等信息送到arduino，arduino根据这些信息对照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。

在这个功能的设计中，项目团队的创新意识得到了充分发挥。大家仔细研究了市面上的智能照明产品之后，认为现有的很多产品功能比较复杂，比较注重细分人群的需求，如加入光照和音乐的配合因素、加入手势对配色的影响、实现远程配置照明等。对于一个低成本的智能照明装置，可以考虑夜间人起夜时的自动照明需求，从这个常见的需求出发，设计出产品的自明、静音功能，然后很自然地进一步设计出人体探测、无级变光、智能节电功能。

在整个项目的实施过程中，指导老师比较注重有意识培养学生的团队意识、领导能力和合作精神。在设计过程中，项目组团队需要合理安排计划进度、人力分配，各个成员的分工配合，不同技术方向上的知识准备和攻关。这里涉及到很多知识，比如arduino的开发、传感器的原理研究等，对于还在学习基础知识的大学生来说，也是一个很好的学习机会。

作为一个创新项目，除了做出成型的样机，还有一定的学术要求，本项目还具体要求、专利申请和软件著作权申请。论文的撰写、专利申请和软件著作权的申请，对学生而言，也是很好的锻炼机会。整个过程中，基本做到了紧张有序，每个人都得到了充分锻炼。

3 总结

本智能照明装置创新项目涉及到arduino开发、LED灯光配置、传感器原理等知识和技能，在功能上初步实现了Hue系统的设想，并且在智能感知调光功能上有所创新，成本极为低廉，是一次非常好的创新实践机会。回顾整个项目，从预研、立项、设计到实施，项目组成员广泛阅读了大量的技术资料，成功完成了智能照明装置样机的接线、编程和调试，并完成了论文的撰写和专利、软件著作权的申请，极大地锻炼了学生的动手能力和科研能力，项目组团队的创新意识得到了充分发挥。本次创新项目实践中，还可以进一步加大产品的市场实践环节。可以考虑让学生去做一定的产品市场调查、产品市场推介或者联系行业内厂家的工作，可以更好地体会创新产品的成果转化过程和难度。

参考文献

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