基于生物信息反馈的智慧情景照明系统

殷 瑶 杨倩茹 龚梽玮 王岫鑫

（重庆邮电大学，重庆 400065）

1 研究目的及意义

为了满足人们日常的照明需求的同时还要做到电能的节约，本系统在保持原有电力布局的基础上实现了个性化的设置。本系统打造的LED 灯能够为人们营造温馨、浪漫、多彩的氛围，不仅如此，本系统还可以对人体不健康的状况予以示警。这样的照明系统能够更好的为人类的生活提供便利。

本系统最大的创新点就是将照明和人与环境相结合[1]，真正实现因“你”而亮，“你”指的是人和环境。它不需要你手动操作，而是根据生理信号和周围的环境信息自动控制照明灯的亮度、色彩以及色温，从而为人们提供一种舒适多彩的照明环境。

2 功能分析

现在市面上出现的产品大多是以传感器感知人体存在时反馈并进行单纯的灯光照明[2]，而本作品增加了生理信息采集模块进行人体生物信号的感知和反馈，生理信号采集模块对心率、脉搏信号采集并通过蓝牙发送到软件进行分析处理后进行不同的灯光反馈，可以从不同生理信号反馈的不同灯光得知人体的健康状况，还可以对人即将进行的活动予以提醒，对危险的人体健康状况予以警示。

系统具有以下几个功能：自动亮灭、明暗调节、情景照明、生理控制、健康预警、时间提醒。

3 内容与技术

3.1 硬件

系统主要是由信息采集模块、蓝牙模块、集中控制器（EEC）、LED 驱动模块和接收终端组成。首先是信息采集模块[3]，它将采集到的红外信息、生物信息和其他信息通过从发送端传送给蓝牙，其次蓝牙模块把信息传输给EEC，最终起到核心控制作用的就是EEC 模块，EEC 处理分析这些采集的生理信息并发出控制信号。其中，发送端与接收端之间采用电力载波通信技术[4]实现数据的远程通信，通过低压220V 电力线连接。在电力载波模块接收端捕获电网中的载波信号之后，将滤波和译码后的信号通过SPI 口传递给微控制器单元；微控制器单元解析并处理接收到的信号，输出相应的PWM 信号；LED 驱动模块根据PWM 信号[5]判断是否点亮或调节各路LED 灯的亮度，从而可以达到调节色彩、亮度以及色温、自动控制亮灭的目的，具体流程图如图1 所示。

图1 系统总体框图

3.1.1 生理信号采集模块

生理信号采集模块主要分为3 大模块：蓝牙发送电路、传感电路以及电源电路。其中电源模块主要是用ASM1117芯片[6]及相关电路进行5V 到3.3V 稳压以及可以进行电量检测。传感电路主要由SON1303 和SON3130 芯片及相关电路组成。衡量传感器好坏的一大标准就是信噪比，反射率提高，测量感度提高，从而引起信噪比的提高。想要芯片的反射率更高，就需要波长小，如570nm 的绿光就比900nm 的红外光反射率更高。SON1303 芯片即是利用这一原理，它采用反射式光电传感器使测量方式，通过改变传统的红外光来提高反射率。现多应用于可穿戴式心率传感器、运动心率仪等。最后蓝牙发送电路主要是cc2540 芯片及相关电路组成，用于将采集到的心率、脉搏信号发送出去。

3.1.2 光强传感器模块

光强传感器模块采用BH1750 芯片组成电路。BH1750是半导体制造商ROHM 为适应以移动电话手机为首的便捷式机器和液晶电视等电器的要求而开发出的具有优良光谱灵敏度特性的数字环境亮度传感器。这也意味着可以省略一直以来必须进行的外部演算处理。无论外界环境明暗程度如何它都类似于人类视觉对亮度的感应机制，能够进行大范围的亮度测定。

3.1.3 人体感应传感器模块

人体感应传感器选择的是型号为HC-SR501 人体感应模块[7]，它是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778 探头设计，具有灵敏度高、可靠性强等优点。感应模块有三个引脚，即电源、地和输出引脚。经过反复实验，在一个办公室中如果有人，但200 秒之内都没有人有动作，导致感应模块输出低电平的情况基本不会发生，所以将延时时间调到最大就可以满足监测要求。同时，将感应距离调节也到最大。在通电后有一分钟左右的初始化时间，一分钟后进入监测状态。

3.1.4 电力载波通信模块

电力载波通信模块是基于载波芯片MI200E 设计而成。MI200E 是一款高性能的高集成数模混合载波通信芯片，专门针对低压电力线进行优化设计的高度集成、高性能的电力线载波通讯芯片。可以提供载波侦听和有效侦指示信号。其特点有内置开关电容带通滤波器(BPF)内置数字功率放大器(DPA)、内置CRC-16 硬件校验电路、可适用于不同环境的传输速率、可变扩频增益等，采用SOP24 封装。现芯片已经广泛应用于路灯控制系统、安全报警系统、智能家居系统、路灯控制系统等方面。

3.2 软件

集中控制器软件设计、接收终端软件设计是软件设计中两个主要的部分。两个部分都需要先初始化设备。首先是接收终端软件设计，采集的生物信号在集中控制器中经过解析译码处理后转化为相应的控制信号向各个支路广播信息，软件会根据反馈的生物信息下达命令，在确定收到命令之后，进行解码、译码、向支路上广播信息等步骤。其次是集中控制器软件设计，软件会自动判断是否捕获到载波信号，如果是，就进行以下步骤：接受信号、解码地址位、校验地址位、解码数据位、输出PWM 信号，经过单片机的分析处理输出三路PWM 信号分别控制红、绿、蓝三组LED灯具的亮度，从而可以达到调节亮度、色彩以及色温的目的。

4 应用和前景

物联网技术日益发展，智能家居与物联网应用息息相关，相关应用层出不穷。作为智能家居的一部分，照明与人们生活息息相关，其中如何对照明系统进行更人性化、智能化的控制也成为了智能家居中举足轻重的一部分，智慧情景照明系统应运而生。目前，智慧生活逐渐与人和环境相结合，随着“互联网”时代的到来，智慧情景照明系统智慧化、信息化、人性化、绿色化已成为未来发展的必然趋势。此系统不但绿色环保，节约能源，还可以提升城市的形象、美化居室环境，给人们提供更加安全和舒适的照明。

5 结语

基于生物信息反馈的智慧情景照明系统最大的创新点就是将照明和人与环境相结合。拥有自动亮灭、明暗调节、情景照明、生理控制、健康预警、时间提醒等多项功能。硬件和软件设计都新颖实用，电力载波技术和蓝牙技术等技术也都合理运用，根据信息采集模块采集的生理信号（心电、血氧、脉搏等）、红外信号以及光强信号，利用终端控制器对LED 进行控制，改变灯光以符合人们随时的需求，在创造舒适健康环境的同时还能节能环保，真正实现因“你”而亮。生物信息反馈的智慧情景照明系统还有很多正在发掘的优点和潜力，如可以广泛用于长期有老人生活的家庭等。