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具有自適應(yīng)亮度控制功能的節(jié)能LED燈

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資料介紹

描述

這個想法背后的故事：

任何普通/智能家居或建筑物中使用的閃電系統(tǒng)仍在按照百年的開或關(guān)原理工作，需要對其進(jìn)行現(xiàn)代化改造以實現(xiàn)安全能源。在白天，我們可以使用自然光來照亮我們的房屋/建筑物，但在清晨、傍晚或惡劣天氣期間，當(dāng)可用的自然光較少時，我們必須使用人造光。使用當(dāng)前的照明系統(tǒng)，我們只需將其全功率打開，而不是用人造光補充自然光。這導(dǎo)致大量能源的浪費，這也是我們星球上最大的危機。因此，為了節(jié)省能源，我們需要構(gòu)建一個足夠智能的照明系統(tǒng)，以便在可用時補充自然光，而不是簡單地打開并消耗最大功率。

有目的的解決方案：

為我們的智能家居/建筑構(gòu)建節(jié)能照明系統(tǒng)，設(shè)計具有自適應(yīng)亮度控制的智能智能照明，以最大限度地利用自然光。在對這種解決方案進(jìn)行很少的研究時，到目前為止我只發(fā)現(xiàn)了很少的 IEEE 研究論文所以這可能是第一個這樣的解決方案。這種系統(tǒng)的最大優(yōu)勢是它的能源效率，通過改變亮度和補充自然光來保持充足的光線。

這個 Idea 被選為免費硬件，它通過 USPS 運送，但從未到貨。項目中使用的Sony Main + Ext板由Electromaker.IO提供

圖書館要求：

u8g2: https://github.com/olikraus/u8g2

apds9930: https://github.com/Depau/APDS9930

為 Arduino IDE 啟用 RTC：

需要 RTC 才能為 IOT 平臺啟用它并在夜間進(jìn)入省電模式，因為由于外部（太陽）光不可用，我們不需要大量計算。最初我無法使用 Arduino IDE 使用 SONY Spresense 板的 CXD5602GG mcu 的內(nèi)部 RTC 模塊，但在研究了它提供的 SDK 之后，我驚訝地發(fā)現(xiàn)了很多有用的內(nèi)置函數(shù)、傳感器庫和 RTC。在這里我會要求SONY團(tuán)隊提供一些關(guān)于SDK和MCU注冊及其功能的文檔。為了使用 RTC 模塊，我們需要使用給定代碼修改...\Arduino15\packages\SPRESENSE\tools\spresense-sdk\1.1.3\spresense\release\include\sdk\文件夾中可用的cxd56_rtc.h文件. 同時創(chuàng)建新的cxd56_rtc.c文件位于同一位置，其代碼如下所示。

使用 GPS 的自動 RTC 配置：

內(nèi)置 GPS 令人印象深刻的室內(nèi)性能鼓勵我添加自動 RTC 配置功能。啟動時，GPS 時間變量的值為 1980 年。因此，一旦該值發(fā)生變化，我們就可以使用 GPS 時間配置 RTC。RTC 模塊需要 Unix 時間，GPS 模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)前時間。可以使用time.h庫mktime()和struct tm將 GPS 時間轉(zhuǎn)換為 Unix 時間。下面給出了通過 GPS 時間更新 RTC 模塊的代碼。

void setup_rtc(){
 if(!timeSinceEpoch){            /* check if RTC is already configured or not */
   if (Gnss.waitUpdate(-1)){     /* read GPS data */
     SpNavData NavData;
     Gnss.getNavData(&NavData);
     if (NavData.time.year!=1980){    /* check if GPS time is acquired or not */
       struct tm tm;                  /* create time struct variable */
/*
  tm_sec -> The number of seconds after the minute, normally in the range 0 to 59, but can be up to 60 to allow for leap seconds.
  tm_min -> The number of minutes after the hour, in the range 0 to 59.
  tm_hour -> The number of hours past midnight, in the range 0 to 23.
  tm_mday -> The day of the month, in the range 1 to 31.
  tm_mon -> The number of months since January, in the range 0 to 11.
  tm_year -> The number of years since 1900.
  tm_wday -> The number of days since Sunday, in the range 0 to 6.
  tm_yday -> The number of days since January 1, in the range 0 to 365. 
*/
       tm.tm_year = NavData.time.year-1900;   /*Subtract 1900 from GPS time to get years since 1900 */
       tm.tm_mon = NavData.time.month-1;      /*Subtract 1 from GPS months*/
       tm.tm_mday = NavData.time.day;
       tm.tm_hour = NavData.time.hour;
       tm.tm_min = NavData.time.minute;
       tm.tm_sec = NavData.time.sec;
       timeSinceEpoch = mktime(&tm);    /* get GMT unix time */
     }      
   }
   if(timeSinceEpoch){    /* Check if time is updated */
     rtcTime.tv_sec=timeSinceEpoch;    /* update the RTC module sec register */
     rtcTime.tv_nsec=0;                /* no info available to update nano sec register */
     up_rtc_settime(&rtcTime);        /* update the RTC time */
     rtc_status=true;                /* RTC status variable to ON/OFF RTC icon */
   }
 }
 else{
   rtc_status=false;
 }
}

與 PIR 傳感器接口：

通用 PIR 傳感器的輸出不能與外部上拉條件一起使用。當(dāng)它與任何單片機連接時，我們需要設(shè)置引腳“INPUT FLOAT”。對于具有 1.8V VDD-IO 及其 EXT 的 Sony spresense。LSF0204x 4 位雙向多電壓電平轉(zhuǎn)換器板（數(shù)據(jù)表：此處) 用于輸出上拉電阻的 3.3/5V 電平轉(zhuǎn)換。所以這意味著 J2 和 J13 的每個數(shù)字 IO 引腳都不能用作浮動或下拉輸入。如果我們嘗試直接用 EXT 連接一個下拉電阻。電路板 IO 引腳將構(gòu)成一個分壓器，這不是下拉電阻的目的。使用下拉的輸入低電平只能通過連接一個 R<<1K 的電阻來實現(xiàn)。（1K 上拉電阻用于 ext.board 上，詳情請參考 EXT.board schematic documents available HERE ）

為了克服這個問題，我們需要添加到外部緩沖器 IC，我使用74LS245（數(shù)據(jù)表：此處）作為 PIR 傳感器輸入和 LED 驅(qū)動器 pwm 輸出的輸入/輸出緩沖器（Fritzing 電路圖）。

APDS9930 環(huán)境光傳感器：

數(shù)字環(huán)境光傳感器 APDS9930（詳情：此處）由于其超低功耗和可編程中斷功能（此處未使用），用于代替模擬傳感器（LDR 等）進(jìn)行光強度測量。這里使用的模塊有板載 5 至 3.3V LDO 和 I2C 電平轉(zhuǎn)換電路，用于 5V 操作。

PIR 傳感器邏輯：

PIR 傳感器設(shè)置為最小延遲時間，具有超時功能的 Sony 外部中斷用于根據(jù) PIR 傳感器輸出打開/關(guān)閉 LED。最低延遲時間設(shè)置用于使 LED 關(guān)閉延遲時間完全可編程。當(dāng) PIR 傳感器模塊設(shè)置為最小延遲時間時，如果檢測到任何物體，它會連續(xù)提供約 1 秒的開啟和約 1 秒的脈沖序列。如果 mcu 將繼續(xù)接收脈沖，則 LED 將保持點亮狀態(tài)，否則 LED 可以在接收到最后一個脈沖后經(jīng)過用戶可編程的延遲時間后關(guān)閉。因此，它還可以讓我們在離開房間后（約 1 秒延遲）立即關(guān)閉 LED。

/* PIR senosr Input configured as external interrupt */
 pinMode(PIR_PIN, INPUT);
 attachInterrupt(PIR_PIN, pir_ISR, CHANGE);

每次恢復(fù) PIR 中斷時，我們都會使用用戶定義的延遲（秒）變量更新pir_delay變量。

/* PIR interrupt service routine */
void pir_ISR(){
  /* assign user defined delay value (seconds) to program pir delay value */
   pir_delay=pir_user_delay;
}

在我們的代碼中，我們每秒檢查一次pir_delay是否設(shè)置。如果它的設(shè)置然后打開 LED 并減少pir_delay直到變?yōu)榱悴㈥P(guān)閉 LED，否則它可以通過 PIR ISR 繼續(xù)更新。這里的 pir_status變量用于在 OLED 顯示器上顯示 LED ON 或 OFF 圖標(biāo)。

bool pir_sw(){
 if (pir_delay>0){
   pir_status=true;
   pir_delay--;
   return true;
 }
 else{
   pir_status=false;
   return false;
 }
}

LED驅(qū)動電路：

LED 亮度可以通過可編程恒流源或通過施加 PWM 控制的恒壓進(jìn)行數(shù)字控制。在這個項目中，我使用恒壓源和 pwm 來調(diào)節(jié) LED 亮度。

我在這個項目中使用的電源 LED (3W) 的開啟電壓約為 9.8V。為了從通用 12V 電源適配器生成此電壓，我使用了 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器（也如下圖所示）。現(xiàn)在，將 Sony Spresense pwm 轉(zhuǎn)換為 LED 電源 pwm 所需的第二件事。經(jīng)過一些在線研究，我找到了一個單電源驅(qū)動器 IC L9110（數(shù)據(jù)表：此處）。現(xiàn)在是從 EXT 的 3.3V 電壓電平安全驅(qū)動輸入引腳的問題。板 IO 板使用夏普PC817低成本光隔離器解決（數(shù)據(jù)表：此處）。

LED驅(qū)動邏輯：

本項目中使用的 L9110 板的數(shù)字輸入被上拉至電源電壓。因此，為了打開輸出，需要在數(shù)字 IO 引腳之一輸入低電平。這里是 EXT 的永久 PULL-UP IO 引腳。板變得非常有用，因為 LED 將保持關(guān)閉狀態(tài)，直到對其應(yīng)用開啟信號。對于 LED 的最大亮度（全功率打開），只需低電平（0 pwm 值-Arduino）輸入。要完全關(guān)閉 LED 高電平（1023 pwm 值-Arduino）輸入是必需的。

OLED 顯示器的圖標(biāo)：

由于功耗低，該項目中使用的顯示模塊是雙色 0.96" OLED。顯示屏分為 128x16 黃色和 128x48 藍(lán)色兩半。黃色的上半部分用于顯示不同的圖標(biāo)和相關(guān)的 LED 功耗級別。 LED 開/關(guān)和成功的自動 RTC 配置通過其內(nèi)置 GPS 模塊也使用圖標(biāo)顯示。為 OLED 模塊構(gòu)建自定義圖標(biāo)的最簡單方法之一是使用在線 XBM 編輯器（在此處用于此項目）。

索尼 Spresense 代碼優(yōu)化問題：

當(dāng) u8g2 庫與 Arduino 或任何其他板一起使用時，代碼將毫無問題地編譯。但在 SONY 板上，它會給出 ram over flow 錯誤，因為沒有為編譯和鏈接過程設(shè)置“ gcc-arm-none-eabi ”的代碼優(yōu)化標(biāo)志。并使用 u8g2 庫為 RAM 提供流代碼。

憑借我有限的編譯器知識，我嘗試在 Sony Spresense 的platform.txt文件中設(shè)置代碼優(yōu)化標(biāo)志“-ffunction-sections，-fdata-sections”（位于 ...\AppData\Local\Arduino15\packages\SPRESENSE \hardware\spresense\1.1.3) 但生成的文件對我不起作用。所以我選擇修改字體文件。

為了克服這個 ram 溢出錯誤，我們需要修改u8g2 庫的“u8g2_fonts.c”和“u8x8_fonts.c” ，如上一節(jié)所示。