基于Wi-Fi無線通信技術(shù)和手機(jī)APP控制終端的LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂天剛，王躍飛 ，呂鶴男

(1.鴻利智匯集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510890；2.廣州市帝亞照明股份有限公司，廣東 廣州 510890)

引言

隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的進(jìn)步，以及人們對照明數(shù)量和質(zhì)量的需求的提高，智能照明、健康照明越來越受到關(guān)注。如何讓半導(dǎo)體照明技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)更完美地結(jié)合，充分發(fā)揮其數(shù)字特性優(yōu)勢，照明科研人員正在不斷探索，并取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。我們將介紹一種基于Wi-Fi無線通信技術(shù)和手機(jī)APP控制終端的LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，緊緊圍繞照明的節(jié)能、智能、健康舒適[1]三大需求主題，開展課題研究，方法是“LED+網(wǎng)絡(luò)+算法”，即LED為核心光源，將其與網(wǎng)絡(luò)、移動設(shè)備、數(shù)字調(diào)制算法相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，具體包括：第一、基于網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)和手機(jī)APP技術(shù)，制定總體方案架構(gòu)路線；第二、研究混光混色的原理，光色的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)軟件算法；第三、根據(jù)研究內(nèi)容，實(shí)施系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)；第四、最后進(jìn)行連機(jī)調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1)支持平臺。智能化成為一種社會潮流,也是社會發(fā)展趨勢。智能手機(jī)已經(jīng)不僅僅作為一種通信工具，而是在人們的日常生活和工作中與互聯(lián)網(wǎng)連接的智能終端。推動智能手機(jī)發(fā)展一個重要因素便是移動網(wǎng)絡(luò)以及無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，如今的智能移動設(shè)備能隨時(shí)隨地的連接網(wǎng)絡(luò)[2]。

本設(shè)計(jì)采用Android系統(tǒng)為支持平臺。原因有三：第一，平臺開放性——開放性的安卓系統(tǒng)平臺，聚集了大量的消費(fèi)者，目前智能手機(jī)市場超過七成為Android OS系統(tǒng)，可謂絕對主導(dǎo)地位。 第二，開源系統(tǒng)，應(yīng)用廣泛——Android平臺提供給第三方開發(fā)商一個十分寬泛、自由的環(huán)境，不會受到各種條條框框的困擾。產(chǎn)品具備觸摸屏、高級圖形顯示和上網(wǎng)功能，界面友好。第三，Android的Apache License授權(quán)模式，允許開發(fā)者任意修改開放的源代碼或者是開發(fā)出各種應(yīng)用程序，而避免專利風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2)通信協(xié)議。本項(xiàng)目中的通信協(xié)議主要完成的任務(wù)是，搭建一個信息橋梁，實(shí)現(xiàn)本地照明控制器、手機(jī)控制終端、網(wǎng)關(guān)/路由器的即時(shí)數(shù)據(jù)鏈接。這類接口一般采用無線短距離通信協(xié)議，主要包括：Wi-Fi(IEEE 802.11a/b/g)、Zigbee(IEEE 802.15.4)和Bluetooth(IEEE 802.15.1)三類。下面結(jié)合本研究項(xiàng)目具體需求，對這三類協(xié)議進(jìn)行技術(shù)比較，選出適合的方案，如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)對比表Table 1 Comparison of technical parameters

通過對比，三種通信技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳播速率最高、傳播距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)容量大，缺點(diǎn)是成本高、抗干擾能力一般、功耗大。然而Wi-Fi廠商開發(fā)了低功耗用的Wi-Fi模塊，這樣一來Wi-Fi技術(shù)不但可以用于筆記本和臺式機(jī)的無線上網(wǎng)，同時(shí)也能用于手機(jī)的無線上網(wǎng)[4]。ZigBee的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)容量大，功耗低，成本低、帶控制功能，缺點(diǎn)是傳輸速度慢。這對于需要無線監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)來說至關(guān)重要[5]。藍(lán)牙的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、成本低、功耗低、傳播速率高，缺點(diǎn)是傳播距離短、網(wǎng)絡(luò)容量小。所以它一般用于高速且節(jié)點(diǎn)少的WPAN中[6]。

3)總體方案架構(gòu)。本控制系統(tǒng)的總體方案，是基于本文設(shè)計(jì)需求分析、設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵系統(tǒng)平臺分析，結(jié)合現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)而制定的。同時(shí)，在具體實(shí)施過程中，對系統(tǒng)和各個細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了技術(shù)探索和創(chuàng)新，特別是手機(jī)APP的功能設(shè)置、控制系統(tǒng)的光、色、電計(jì)算編碼控制等。本系統(tǒng)的總體方案架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體方案架構(gòu)圖Fig.1 Overall schema diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)為LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作之一。由于下達(dá)指令的人機(jī)交互界面在手機(jī)端運(yùn)行在獨(dú)立的APP上，因此涉及到硬件設(shè)計(jì)的部分主要為控制對象設(shè)備終端，也就是LED照明設(shè)備的硬件電路。

1)驅(qū)動器電路。LED照明設(shè)備中的驅(qū)動器，其功能是為LED照明設(shè)備提供驅(qū)動電源，具體來說就是將220 Vac高壓交流電市電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定低壓直流供電，匹配設(shè)備中的低壓直流負(fù)載，為其提供正常工作所必需的電源。作為LED照明的核心部分，LED驅(qū)動電源直接決定了LED燈的可靠性[7]。根據(jù)本項(xiàng)目的負(fù)載分析結(jié)果，驅(qū)動電源設(shè)計(jì)為恒壓輸出，且電壓為24 Vdc最為合適，輸出功率為LED電路負(fù)載與控制器電路負(fù)載之和，計(jì)算得29.82 W?？紤]到LED負(fù)載前端恒流驅(qū)動和控制器電路驅(qū)動轉(zhuǎn)換效率，以及電路元器件差異等，為電路增加10%～15%的設(shè)計(jì)裕量。從而實(shí)際功率輸出上限設(shè)計(jì)為35 W。結(jié)合項(xiàng)目需求，在分析、計(jì)算及驅(qū)動方案收集、整理的基礎(chǔ)上繪制驅(qū)動器硬件電路原理圖。

2)控制器電路?？刂破麟娐分饕韶?fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換的IC驅(qū)動電路、負(fù)責(zé)無線收發(fā)的Wi-Fi電路、負(fù)責(zé)信息處理的MCU微型處理器、負(fù)責(zé)信息采集的傳感器，以及其周邊電路組成。Wi-Fi模塊采用樂鑫信息科技有限公司的ESP8266型號Wi-Fi芯片。ESP8266串口Wi-Fi芯片擁有高性能無線片上系統(tǒng)，較高的實(shí)用性和低廉的成本是它的優(yōu)勢。ESP8266不僅可以嵌入到其他硬件設(shè)備中作為附屬設(shè)備，也可以作為主控芯片控制外設(shè)和傳輸數(shù)據(jù)[8]。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)和總體方案，該控制系統(tǒng)電路共分為DC/DC電路、Wi-Fi功能單元、單片機(jī)及外圍電路、傳感器電路、輸出信號放大電路等五個部分。

3)LED電路。LED電路根據(jù)功能又劃分為三個部分：恒流單元、執(zhí)行單元和 LED負(fù)載，如圖2所示。

圖2 LED電路原理圖Fig.2 Schematic of LED circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

1)設(shè)計(jì)規(guī)劃。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)階段的工作任務(wù)是開發(fā)出穩(wěn)定運(yùn)行于手機(jī)端的APP軟件和運(yùn)行于LED照明設(shè)備端MCU軟件，即圖3中的軟件系統(tǒng)Ⅰ和軟件系統(tǒng)Ⅱ，從而最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的原定設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)過程共分為四個部分，資源分析、需求分析、軟件設(shè)計(jì)、聯(lián)機(jī)調(diào)試驗(yàn)證。

根據(jù)本課題需求和設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)目標(biāo)，規(guī)劃手機(jī)APP界面功能布局(見圖4)。

圖3 數(shù)據(jù)流圖Fig.3 Data flow chart

圖4 操作界面功能布局圖Fig.4 Operation interface function layout

2)算法設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)過程需要處理的信息包括兩大部分，即，信息采集和數(shù)據(jù)加工。信息采集部分的任務(wù)內(nèi)容是對各類傳感器轉(zhuǎn)換來的電信號進(jìn)行采集和判斷，主要涉及基本的電平狀態(tài)0、1讀取和進(jìn)行A/D、D/A編解碼轉(zhuǎn)換后讀數(shù)等的常規(guī)操作，本文不作贅述。數(shù)據(jù)加工部分的任務(wù)內(nèi)容是根據(jù)手機(jī)操作端輸入的指令和環(huán)境信息收集數(shù)據(jù)，計(jì)算LED混光比例，編成PWM脈沖寬度調(diào)制碼值，生成PWM方波輸出，為LED執(zhí)行電路提供數(shù)據(jù)源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混光混色[9]。主要涉及調(diào)光調(diào)色的軟件實(shí)現(xiàn)原理。下面對此重點(diǎn)介紹。

(a)算法原理。根據(jù)格拉斯曼混光原理[10]，在由兩個或兩個以上的顏色成分組成的混合色中，若某一顏色成分連續(xù)地變化，則混合色的外貌也會連續(xù)地變化。而任何兩個非飽和色相混合產(chǎn)生的中間色，其色調(diào)取決于二者在色調(diào)順序上的遠(yuǎn)近[11]。如圖5所示，三角框內(nèi)弧形線為黑體軌跡線。

圖5 CIE 1931色度圖Fig.5 CIE 1931 Chromaticity diagram

(b)模擬自然光原理。通過在色度圖中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)照明區(qū)域的兩端分別選擇一白光光源，在CIE1931色度圖中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)照明區(qū)域的兩端之間選擇至少一白光光源。這樣，根據(jù)一天中不同時(shí)間點(diǎn)的目標(biāo)日光所需要的光源要求，則可確定應(yīng)當(dāng)選擇哪兩個白光LED作為混合光源，并根據(jù)公式計(jì)算白光光源的發(fā)光量比例，通過控制器控制對應(yīng)白光LED的光通量輸出。

本文硬件電路設(shè)計(jì)部分，LED共分為四個支路：冷白光LED、正白光LED、暖白光LED、紅光LED，分別命名為：W1、W2、W3、R0。調(diào)光調(diào)色算法過程僅討論W1、W2、W3，紅光LED-R0僅用于顯色指數(shù)補(bǔ)償，不在此討論。模擬自然光[12]方法如圖6、圖7所示。

圖6 模擬自然光混光原理圖Fig.6 Schematic of simulated natural light mixing

圖7 模擬自然光動態(tài)混光原理圖Fig.7 Schematic of simulated natural dynamic light mixing

3)系統(tǒng)調(diào)制實(shí)施方案。

(a)調(diào)制方法。控制系統(tǒng)硬件電路的三個白光LED支路：W1——冷白光LED；W2——正白光LED；W3——暖白光LED。其脈沖周期、脈沖寬度、占空比分別定義如下：W1：脈沖周期TW1、脈沖寬度tW1、占空比DW1；W2：脈沖周期TW2、脈沖寬度tW2、占空比DW2；W3：脈沖周期TW3、脈沖寬度tW3、占空比DW3。

則我們改變DW1、DW2、DW3的大小可以調(diào)節(jié)各燈輸出的光通量，改變DW1∶DW2∶DW3之間的比值可以調(diào)整燈的混光顏色。需要注意的是，顏色混合過程可能會影響燈的原設(shè)定光通量值的變化，這個異?？梢酝ㄟ^光控電路的照度傳感器實(shí)時(shí)采樣環(huán)境照度變化，調(diào)用軟件系統(tǒng)Ⅱ中植入的修正子程序，計(jì)算補(bǔ)償值，對混光后的光通量數(shù)值進(jìn)行修正。

(b)功能索引及編碼表。根據(jù)軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、原理和方法，制定軟件系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ的功能索引表和調(diào)光比例表(表2)，做為軟件編寫的指導(dǎo)文件和軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)對照表的數(shù)據(jù)源文件。

表2 軟件系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ功能索引表Table 2 Function index table of software system Ⅰ、Ⅱ

續(xù)表2

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

1)聯(lián)機(jī)調(diào)試。聯(lián)機(jī)調(diào)試驗(yàn)證。把軟件安裝到硬件中運(yùn)行測試、調(diào)試，驗(yàn)證結(jié)果和設(shè)計(jì)目標(biāo)的符合性。對系統(tǒng)的所有功能對照設(shè)計(jì)目標(biāo)編寫測試項(xiàng)目表，根據(jù)測試項(xiàng)目內(nèi)容逐項(xiàng)測試并記錄，最后整理測試結(jié)果。分別組裝各子系統(tǒng)并安裝系統(tǒng)軟件，接通電源和Wi-Fi信號，系統(tǒng)連接如圖8所示。依系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案制定操作手冊(圖9)，根據(jù)操作手冊試驗(yàn)系統(tǒng)的各個功能模塊，并做記錄。

圖8 系統(tǒng)連接圖Fig.8 System connection diagram

2)試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試后，使用YF1000光色電綜合分析系統(tǒng)對各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行了測試，并做了記錄。經(jīng)分析，系統(tǒng)功能正常，各項(xiàng)性能指標(biāo)與原設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。特別是混色混光功能，色溫調(diào)節(jié)、光通量調(diào)節(jié)柔和均勻、誤差小，完全符合系統(tǒng)預(yù)期，具備實(shí)用性。具體試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖10所示。

圖9 系統(tǒng)操作手冊Fig.9 Handbook of the system operation

功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)結(jié)果判定1)系統(tǒng)啟動系統(tǒng)Ⅰ系統(tǒng)登錄登陸正常、退出正常合格系統(tǒng)Ⅰ網(wǎng)絡(luò)連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接正常系統(tǒng)Ⅱ啟動啟動正常、身份碼識別正常系統(tǒng)Ⅱ網(wǎng)絡(luò)連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接正常2)開關(guān)鍵ON: 開指示開燈正常合格OFF:關(guān)指示關(guān)燈正常3)CRI:顯色性設(shè)置鍵colour rendering indexEC:節(jié)能模式(energy conservation)光效112 lm/W,顯色指數(shù)82合格該模式下節(jié)電50%以上,顯色指數(shù)70～80HC:高顯色指數(shù)模式(high-color) 光效90 lm/W,顯色指數(shù)95該模式下顯色指數(shù)90以上,節(jié)電40%4) WM:工作模式選擇鍵(work mode)NL:自然光模式指示(natural light)NL時(shí),其他鍵均有效,且Tc/F為設(shè)定的值。GL時(shí),自動切換到普通模式,并處理相應(yīng)按鍵功能。即其他按鍵優(yōu)先級均高于自然光模式。每次開機(jī)時(shí)NL復(fù)位,開始一次新的循環(huán)。關(guān)機(jī)時(shí)保存當(dāng)前RI,WM,IC,TD,Tc/F設(shè)置值(NL除外),再次開機(jī)時(shí)均依上次設(shè)置合格自然光,色溫自動變化,模擬白天太陽光色溫的變化軌跡,不斷循環(huán)GL:普通照明模式指示(general lighting)普通光,色溫固定不變5) IC:智能控制切換鍵(intelligent control)CC:常規(guī)控制 conventional control 一般模式正常合格常規(guī)控制LO:光控指示(light-operated)光控正常光控,根據(jù)環(huán)境光線的明暗自動開燈或關(guān)燈。例如,白天關(guān)燈,晚上開燈。光控開延時(shí)0 s, 光控關(guān)延時(shí)0 s,HI:人體感應(yīng)指示 human infrared induction switch 人體感應(yīng)模式正常人體感應(yīng),人在開燈,人走關(guān)燈LH:光控+人體感應(yīng)指示光控/熱釋紅外復(fù)合模式正常白天關(guān)燈,晚上有人開燈,無人關(guān)燈 6) TD:定時(shí)裝置(timing device)∞:非定時(shí)關(guān)燈非定時(shí)模式正常合格0.5:開燈0.5 h后自動關(guān)燈定時(shí)開關(guān)正常,誤差小于2 s1.0:開燈1 h后自動關(guān)燈2.0:開燈2 h后自動關(guān)燈4.0:開燈4 h后自動關(guān)燈

續(xù)表3

圖10 混光后色溫曲線圖(CIE 1931)Fig.10 Color temperature chart after mixed light (CIE 1931)

5 結(jié)束語

我們研究了一種基于Wi-Fi無線通信技術(shù)和手機(jī)APP控制終端的LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過試驗(yàn)，本方案能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)端Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)照明控制及聲、光感應(yīng)和熱釋紅外感應(yīng)控制，特別是精確混光混色功能，可實(shí)現(xiàn)照明的節(jié)能、智能和健康舒適三大功能特點(diǎn)。

本文的人機(jī)交互界面偏向于照明底層參數(shù)的調(diào)節(jié)，未來可基于此方案向兩個方向拓展：第一個方向是專門針對普通家居應(yīng)用設(shè)計(jì)成普通家用智能照明產(chǎn)品，簡化操作界面，如可以設(shè)計(jì)成更通俗的圖形化界面，或把一系列復(fù)雜操作整合為幾個簡單場景操作(會客、用餐、節(jié)日等等)。第二個方向是針對專門專業(yè)照明應(yīng)用領(lǐng)域，如演播大廳、攝影棚等，或其他對照明環(huán)境要求較高的場所，設(shè)計(jì)開發(fā)專業(yè)的照明控制系統(tǒng)，進(jìn)行精細(xì)化控制，以滿足應(yīng)用需求。