一種遠(yuǎn)程LED照明監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

柴萬東, 張立萍, 孟散散

(1. 赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000；

2. 天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院， 天津 300387)

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一種遠(yuǎn)程LED照明監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

柴萬東1, 張立萍1, 孟散散2

(1. 赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000；

2. 天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院， 天津 300387)

摘要：利用STC單片機(jī)結(jié)合以太網(wǎng)驅(qū)動模塊，設(shè)計一種基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程發(fā)光二極管(LED)照明監(jiān)控系統(tǒng).該以太網(wǎng)驅(qū)動模塊由RTL8019以太網(wǎng)芯片及相關(guān)外圍電路組成，利用電量采集芯片AD7755對整個系統(tǒng)所耗電量進(jìn)行采集，采用大功率LED恒流驅(qū)動方案，并利用可調(diào)光芯片CAT4109和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)對LED燈實現(xiàn)調(diào)光.結(jié)果表明：設(shè)計的系統(tǒng)可實時采集系統(tǒng)所耗電量，可對燈的亮度、色溫進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié).

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管； 以太網(wǎng)； 脈寬調(diào)制； 電量采集； 遠(yuǎn)程監(jiān)控

作為繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體燈之后的第四代光源，發(fā)光二極管(LED)因高亮度、低熱量、長壽命、無毒、可回收等優(yōu)點，被稱為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色照明光源.我國科技部于2006年10月啟動國家半導(dǎo)體照明工程，并在“十一五”能源規(guī)劃中將綠色照明提上日程.在政府的大力支持和推動下，LED照明技術(shù)取得了長足發(fā)展，逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈、霓虹燈，被廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、汽車車燈、普通照明和景觀照明等領(lǐng)域.LED獨(dú)具的高頻閃特性使LED的可控性大大增強(qiáng)[1].高度普及的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制提供了物質(zhì)基礎(chǔ).互聯(lián)網(wǎng)能滿足控制系統(tǒng)的開放要求，可利用網(wǎng)絡(luò)中的龐大資源提高控制精度，使LED照明的遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能，為LED照明技術(shù)的研究和發(fā)展開辟新的領(lǐng)域.本文通過以太網(wǎng)通信方式實現(xiàn)對遠(yuǎn)程LED燈的開關(guān)、亮度、色溫的調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)系統(tǒng)所耗電量的實時采集顯示.

1系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖,如圖1所示.AC/DC電源模塊由12 V開關(guān)電源和電壓轉(zhuǎn)換電路組成，12 V電源為LED燈提供正常工作所需電壓，電壓轉(zhuǎn)換電路由34063芯片及其他外圍器件組成，可以把12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓為其他模塊供電.以太網(wǎng)控制模塊主芯片為RTL8019AS，負(fù)責(zé)完成以太網(wǎng)信息的物理層解析，以及實現(xiàn)電平變換.上位機(jī)監(jiān)控模塊實現(xiàn)對遠(yuǎn)端LED燈的實時監(jiān)控，控制界面采用VC++編寫.電量計模塊由AD7755及外圍電路組成，采集系統(tǒng)所耗電量送給微控制單元(MCU)模塊，MCU經(jīng)過處理后送給上位機(jī)監(jiān)控模塊進(jìn)行電量顯示.LED驅(qū)動模塊主芯片為CAT4109,它是一款三通道高亮度恒流輸出LED驅(qū)動器，每路通道由MCU輸出的脈寬調(diào)制(PWM)信號控制，每路輸出的最大電流為175 mA.照明LED燈組由3個大功率LED燈組成，采用并聯(lián)設(shè)計，每個LED燈的工作電壓范圍為5～12 V，為更好地達(dá)到照明效果，設(shè)定照明LED燈組的供電電壓為12 V.

圖1　系統(tǒng)整體設(shè)計框圖Fig.1　Framework of the system design

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　MCU控制模塊及外圍電路

MCU控制模塊的外圍電路圖，如圖2所示.采用STC89C54R+單片機(jī)(臺灣宏晶公司)作為控制核心.該單片機(jī)內(nèi)置16 KB的FLASH和8 KB的EEPROM,具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價格低廉等優(yōu)點.外部晶振為12 MB，為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和存儲能力，系統(tǒng)外擴(kuò)展一個32 KB的EEPROM存儲器62256，數(shù)據(jù)口通過鎖存器74HC573與MCU控制核心單片機(jī)STC89C54R+的P0口相連[2].設(shè)有LED驅(qū)動模塊PWM調(diào)光接口及AD7755接口，分別與LED驅(qū)動模塊主芯片CAT4109和電量計模塊主芯片AD7755相連.

圖2　MCU控制模塊外圍電路Fig.2　Circuit of MCU peripheral interface

2.2　以太網(wǎng)控制模塊電路

以太網(wǎng)控制模塊電路，如圖3所示.模塊主芯片為10 MB以太網(wǎng)芯片RTL8019AS(臺灣Realtek公司)，該芯片為全雙工通信方式[3]，支持8位、16位兩種數(shù)據(jù)總線方式，適用于ethernetⅡ,IEEE 802.3,10Base5,10Base2,10BaseT等多種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置16 KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理的速率要求.RTL8019AS的8位數(shù)據(jù)口與MCU模塊的存儲器數(shù)據(jù)口相連，與MCU之間交換數(shù)據(jù).TPIN-，TPIN+,TPOUT-，TPOUT+通過20F001N與網(wǎng)線接口RJ45相連.20F001N為脈沖網(wǎng)絡(luò)變壓器濾波器，用于實現(xiàn)RTL8019AS與網(wǎng)絡(luò)接口RJ45的電平匹配[4].

圖3　以太網(wǎng)控制模塊電路設(shè)計Fig.3　Circuit of ethernet control module

2.3　AD7755電量采集模塊電路

電量計模塊主芯片AD7755通過電流互感器和電壓互感器接入外部電網(wǎng)，采集外部電壓和電流，從而得到系統(tǒng)所耗電量.AD7755電量采集模塊電路，如圖4所示.AD7755的CF管腳與MCU單片機(jī)的定時器T1管腳相連，CF引腳將電量以脈沖頻率方式送給主控制芯片[5];G0，G1管腳分別與主芯片STC89C54R+的P1.3和P1.4相連，以選擇通道的增益.由于系統(tǒng)電流波動范圍較窄，為提高電流互感器對變化電流的監(jiān)控精度，將G0，G1分別設(shè)為0，1，芯片輸入增益為4，對電流進(jìn)行適當(dāng)放大.SCF引腳與主控單片機(jī)的P1.5管腳相連，以控制校驗頻率選擇.

圖4　AD7755電量采集模塊電路Fig.4　Circuit of the AD7755 power collection module

2.4　LED驅(qū)動模塊電路

LED驅(qū)動模塊采用驅(qū)動芯片CAT4109(美國安森美公司).該芯片為恒流驅(qū)動芯片，具有三路獨(dú)立的PWM調(diào)光接口，分別控制三路LED燈的亮度.LED驅(qū)動模塊電路圖，如圖5所示.三路低功率電阻R4，R5，R6分別控制LED1，LED2，LED3三路恒流電流的輸出大小，控制范圍為0～175 mA.使引腳OE與單片機(jī)的P1.6管腳相連，控制芯片的通斷[6].系統(tǒng)中,PWM信號由主控制芯片的定時器產(chǎn)生，通過P1.0，P1.1，P1.2口傳送給CAT4109的三路PWM1，PWM2，PWM3接口.CAT4019的3個LED輸出口連接三路LED燈具，LED燈具的另一端接入12 V供電電壓.

圖5　LED驅(qū)動模塊電路Fig.5　Circuit of LED driver module

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

接收上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP解包，并輸出相應(yīng)占空比的PWM信號，其流程圖如圖6所示.采集電量進(jìn)行TCP打包，并送給上位機(jī)，其顯示流程圖如圖7所示.

圖6　輸出PWM信號流程圖 　　　　　　　圖7　電量采集顯示流程圖　　　Fig.6　 Flowchart of output PWM Fig.7　Flowchart of electric parameters 　　　　　signal figure acquisition and display

系統(tǒng)上電后，首先，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)初始化和RTL8019AS初始化；然后，系統(tǒng)檢測上位機(jī)模塊以太網(wǎng)與MCU的連接是否正常，只有連接正常，系統(tǒng)才能開始工作.系統(tǒng)開始工作后，MCU不斷查詢是否接收到上位機(jī)發(fā)來的以太網(wǎng)信息，若接收到指令信息，MCU開始解讀接收到的TCP數(shù)據(jù)包指令信息，輸出相應(yīng)占空比的PWM信號控制LED燈發(fā)出不同亮度的光.系統(tǒng)設(shè)計了11個亮度等級，0%～100%占空比的PWM信號分別對應(yīng)LED燈的11種不同的工作狀態(tài).當(dāng)PWM信號占空比為0時，LED處于關(guān)燈狀態(tài)；當(dāng)PWM信號占空比為10%時，LED處于10%的亮度狀態(tài)；當(dāng)占空比為100%時，LED燈處于最亮的狀態(tài).

系統(tǒng)開始正常工作后，電量計模塊也開始正常工作，采集接入系統(tǒng)的電流和電壓信號，轉(zhuǎn)換為功率信號，以數(shù)字量形式送入MCU控制模塊，MCU將功率信號進(jìn)一步處理，打成TCP數(shù)據(jù)包，通過以太網(wǎng)送給上位機(jī)進(jìn)行實時顯示.根據(jù)上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)的變化情況，既可以得出系統(tǒng)所耗電量，又可以判斷電路有無異常發(fā)生.

4上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計

系統(tǒng)上位機(jī)界面采用VC++編寫[7]，如圖8所示.控制界面分為遠(yuǎn)程IP地址設(shè)定、LED燈控制、電量信息顯示等3個部分.遠(yuǎn)程IP地址設(shè)定部分可以設(shè)定系統(tǒng)所要連接網(wǎng)絡(luò)的IP地址和端口號，系統(tǒng)可接入任何Ipv4網(wǎng)絡(luò).LED燈控制部分實現(xiàn)對LED燈的調(diào)節(jié)，包括亮度和色溫調(diào)節(jié)，亮度調(diào)節(jié)時，按一下增加或減少按鈕，LED的亮度以10%的等級增加或減少；色溫調(diào)節(jié)是對紅、綠、藍(lán)3種顏色的LED燈亮度配比的調(diào)節(jié)，如果想要暖一點的色調(diào)，則黃燈調(diào)亮一些，想要冷一點的色調(diào)，則藍(lán)燈亮一些.例如，當(dāng)需要3 000 K的色溫時，對比色溫帶，分別調(diào)節(jié)藍(lán)燈、黃燈的PWM占空比即可.電量顯示部分顯示由電量采集模塊采集的電量，用顯示和停止按鈕進(jìn)行控制[8-10].

圖8　LED遠(yuǎn)程監(jiān)控界面Fig.8　Interface of LED remote monitoring

5結(jié)束語

設(shè)計一種遠(yuǎn)程監(jiān)控LED燈照明的方法，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)對LED燈的遠(yuǎn)程亮度和色溫控制，并能實時顯示所耗電量.目前，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)達(dá)，在任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可以使用該系統(tǒng)對LED照明系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控.系統(tǒng)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，若對設(shè)計稍作修改，還可以推廣到類似的項目，如遠(yuǎn)程智能家居管理、遠(yuǎn)程自來水供水監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程攝像頭控制管理系統(tǒng)等.

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(責(zé)任編輯： 錢筠英文審校： 吳逢鐵)

Remote Monitoring System Design for LED Lighting

CHAI Wandong1, ZHANG Liping1, MENG Sansan2

(1. Physics and Electronic Information Engineering Department， Chifeng College， Chifeng 024000， China；

2. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China)

Abstract：A design of light-emitting diode (LED) lighting remote monitoring system is presented in this paper， which based upon the ethernet driver module and utilize the control technique of STC microcontroller. The remote ethernet module is composed of ethernet IC RTL8019 and other peripheral circuits. Power consumption can be captured real-time by IC AD7755 brightness of LED adjusted via high power LED constant-current driving scheme and pulse width modulation (PWM) technology which using CAT4109 chip. Experimental results show that using this system, real-time power consumption of LED system can be acquisited accurately, the brightness and color temperature can also be adjusted by remote user through ethernet .

Keywords：light-emitting diode； ethernet； pulse width modulation； power acquisition； remote monitoring

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(11264001)

通信作者：柴萬東(1971-)，男，副教授，主要從事應(yīng)用物理的研究.E-mail:610918880@qq.com.

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號：TM 923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.01.0054

文章編號：1000-5013(2016)01-0054-04