淺析基于IOT的LED智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)照明的有線、機(jī)械的控制方式，文章提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)（InternetOfThings，IOT）技術(shù)的LED智能照明控制系統(tǒng)，將智能控制模塊嵌入LED照明終端，綜合運(yùn)用嵌入式技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化、無線化的智能照明控制方式，同時(shí)還具有環(huán)境溫濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能照明；環(huán)境監(jiān)測(cè)；ZigBee

1前言

隨著LED照明越來越普及以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)家居生活的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、節(jié)能化的需求越來越強(qiáng)烈，將家用電器、照明燈具、安防報(bào)警等模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)集成到控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能控制和智能管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofthings，IOT）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能LED照明已成為IOT中重要的一部分。本文為了“綠色智慧照明”的實(shí)施而提供智能化的LED照明控制系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具多種照明模式的無線遠(yuǎn)程控制，并對(duì)LED燈具工作范圍內(nèi)的環(huán)境照度、LED燈具工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED照明的自適應(yīng)光照調(diào)節(jié)以及多種組合的燈光色彩變換，從而創(chuàng)造出一種舒適、節(jié)能、安全的光環(huán)境，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括LED燈具控制終端和觸控面板兩部分，用于實(shí)現(xiàn)LED燈具的智能照明控制；主要包含控制模塊、通信模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等。

2.1主控單元的硬件設(shè)計(jì)

LED智能照明控制系統(tǒng)的主控單元主要LED燈具控制終端和數(shù)據(jù)采集終端兩部分組成。LED燈具控制終端以ARM處理器STM32為控制核心，由電源電路，外圍電路，光照傳感器組成；數(shù)據(jù)采集終端則由溫濕度傳感器，照度傳感器，PM2.5傳感器組成，其硬件電路原理圖如圖2所示。

2.2觸控面板的硬件設(shè)計(jì)

觸控面板的硬件電路設(shè)計(jì)基于新一代ARM處理器STM8S來實(shí)現(xiàn)，STM8S系列處理器自帶觸摸軟件庫的設(shè)計(jì)，利用電容本身具有的電荷轉(zhuǎn)移特性，可以實(shí)現(xiàn)電容式的觸摸傳感檢測(cè)。在LED智能照明控制系統(tǒng)中，主要實(shí)現(xiàn)了LED照明燈具的開關(guān)按鍵以及滾動(dòng)條亮度調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)，其電路原理圖如圖3所示。

2.3ZigBee無線通信模塊的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)LED智能照明系統(tǒng)的集中管理以及環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，本文采用基于物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee無線模塊構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)的Zigbee無線通信模塊采用CC2530模塊，TICC2530是一個(gè)實(shí)質(zhì)的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案。該解決方案將提高性能和適應(yīng)基于頻段應(yīng)用，和它的低成本、低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧并且效能更高的8051控制器。

2.4電源模塊的設(shè)計(jì)

考慮到本設(shè)計(jì)應(yīng)用在家庭場(chǎng)合，而家庭中一般提供的電源主要220V交流電源，因此電源模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要采用多個(gè)分離元件來實(shí)現(xiàn)不同電壓輸出的穩(wěn)壓電路，其中3.3V和5V電源首先經(jīng)開關(guān)電源將220V電源轉(zhuǎn)換成12V直流電源再得到。

+12V轉(zhuǎn)+5V使用的是LM2576系列的穩(wěn)壓器，LM2576能夠驅(qū)動(dòng)3A的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，其+5V電源原理圖如圖4所示：

+5V轉(zhuǎn)+3.3V使用的是AMS1117電壓調(diào)節(jié)器，AMS1117可以提供1A的輸出電流，min輸入電壓為1V，輸出+1V。通過+5V穩(wěn)壓到+3.3V后供給CPU和其他芯片，其+3.3V電源原理圖如圖5所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)LED智能照明控制與環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸，通過采用ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)LED燈具的集中管理以及數(shù)據(jù)采集功能。

4安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

4.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩(wěn)定。開關(guān)驅(qū)動(dòng)器具備獨(dú)立工作的能力，適用于一些中小型的項(xiàng)目；模塊化設(shè)計(jì)，可以任意拼接擴(kuò)展，同時(shí)預(yù)留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、隧道、車站等大型公建項(xiàng)目的照明控制需求。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示各個(gè)模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場(chǎng)受控回路的開關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

2）當(dāng)發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關(guān)設(shè)備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì)發(fā)生故障報(bào)警，并將故障報(bào)警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應(yīng)的模塊控制開關(guān)和樓層控制開關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。

4）開關(guān)驅(qū)動(dòng)器支持過零觸發(fā)功能，負(fù)載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)燈具與控制裝置的壽命。

5）對(duì)每個(gè)照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài)，當(dāng)照明電源掉電時(shí)，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切換到預(yù)設(shè)的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調(diào)光控件，照明設(shè)備從0%到100%進(jìn)行調(diào)光，可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對(duì)一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對(duì)多個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，通過圖標(biāo)的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場(chǎng)景控件，打開或者關(guān)閉對(duì)應(yīng)場(chǎng)景設(shè)置，軟件界面上顯示不同的場(chǎng)景模式和場(chǎng)景功能，通過圖標(biāo)的亮滅顯示對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景狀態(tài)是打開還是關(guān)閉。

8）設(shè)置定時(shí)時(shí)間，確認(rèn)時(shí)間點(diǎn)后，對(duì)該事件點(diǎn)執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置燈在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過預(yù)設(shè)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息，自動(dòng)計(jì)算每天的日升日落時(shí)間；根據(jù)天文時(shí)鐘控制照明開關(guān)，實(shí)現(xiàn)日落開燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計(jì)劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動(dòng)模塊；當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)故障或模塊離線時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計(jì)劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨(dú)立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過程序的設(shè)定實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。

12）預(yù)留BA或第三方集成平臺(tái)接口，采用modbus、opc等方式。

4.5設(shè)備選型

5結(jié)束語

本文通過對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，針對(duì)LED的特性，對(duì)LED燈具的亮度、色彩方面進(jìn)行了調(diào)節(jié)，加入亮度傳感器、人體檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)LED照明系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，充分利用智慧照明技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED照明應(yīng)用的需求，拓展能力好，可以有效的節(jié)約能源，具有實(shí)際推廣和應(yīng)用價(jià)值，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

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作者簡(jiǎn)介：任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。