智能化LED照明系統(tǒng)的設(shè)計思考

譚建麟

甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730100

0 引言

在當(dāng)今的科技化時代，隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化LED照明系統(tǒng)也開始在現(xiàn)代化智能家居中得到良好應(yīng)用。為了確保智能化LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用效果，滿足用戶的實際應(yīng)用需求，文章以智能家居中的智能化LED照明系統(tǒng)為例，分析其設(shè)計。希望通過文章的分析，可以進(jìn)一步提升智能化LED照明系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量與應(yīng)用效果，以此促進(jìn)智能家居行業(yè)的良好發(fā)展。

1 智能化LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

智能化LED照明系統(tǒng)是指通過硬件連接的方式讓智能家居的所有LED照明燈具都集成到一個系統(tǒng)中，然后再通過軟件程序進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化集中控制和分散控制。相比于傳統(tǒng)形式的照明系統(tǒng)，智能化LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢十分顯著[1]。

（1）更加節(jié)能。LED燈具比傳統(tǒng)照明燈具節(jié)能，加之智能化控制技術(shù)的應(yīng)用，可根據(jù)實際情況和實際應(yīng)用需求進(jìn)行開啟、關(guān)閉及亮度調(diào)節(jié)，顯著降低整體照明系統(tǒng)的電能消耗[2]。（2）控制更加高效靈活。智能化遠(yuǎn)程控制技術(shù)結(jié)合各種傳感器，可以智能化地監(jiān)控系統(tǒng)中的各個LED燈具，從而全面滿足用戶的應(yīng)用需求[3]。（3）安全性更高。在智能化LED照明系統(tǒng)中，各種傳感器會采集智能家居的各種環(huán)境參數(shù)，可以及時發(fā)現(xiàn)異常，并通過用戶端App發(fā)出報警提示，從而實現(xiàn)良好的安全保障。（4）藝術(shù)效果更好。將智能化LED照明系統(tǒng)合理應(yīng)用到智能家居中，可按照用戶需求調(diào)節(jié)燈光效果，包括開啟數(shù)量、顏色、亮度等，從而營造良好的藝術(shù)氛圍[4]。

2 智能化LED照明系統(tǒng)的設(shè)計

文章設(shè)計的智能化LED照明系統(tǒng)的主要組成部分有核心控制器（STM32型單片機(jī)）、LED燈具驅(qū)動電路、服務(wù)器及智能終端。該智能化照明系統(tǒng)中的LED燈具為RGBW四色形式，按照格拉斯曼混光原理設(shè)置。采用計算機(jī)控制LED混光比例，實現(xiàn)四路PWM波的輸出，再通過控制各種顏色燈光的亮度達(dá)到混光、混色效果。系統(tǒng)中的燈光顏色和亮度都能夠調(diào)節(jié)，并可以通過不同顏色和亮度的規(guī)律性變化來營造情境。將用戶端系統(tǒng)中的智能化設(shè)備安裝到控制中心，以物聯(lián)網(wǎng)為依托，可以遠(yuǎn)程控制整個照明系統(tǒng)。系統(tǒng)中的傳感器會采集和上傳家居環(huán)境中的各項數(shù)據(jù)，既可以使數(shù)據(jù)以家居環(huán)境安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的形式顯示在用戶端，也可以為照明系統(tǒng)的自動化控制提供數(shù)據(jù)支撐，從而實現(xiàn)智能化LED照明系統(tǒng)的人性化設(shè)計。智能化LED照明系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化LED照明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

在該智能化LED照明系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)的主要組成部分有數(shù)據(jù)采集終端傳感器、燈控端及LED照明驅(qū)動電路。智能家居布線難度較大，需要通過無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)傳感器、燈控端及LED照明驅(qū)動電路之間的數(shù)據(jù)傳輸?？刂平K端和云端之間的數(shù)據(jù)傳輸使用Wi-Fi，傳感器終端和照明控制端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和ZigBee技術(shù)。智能化LED照明系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能化LED照明系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 燈控節(jié)點(diǎn)設(shè)計

在硬件系統(tǒng)中，通過USB為燈控節(jié)點(diǎn)供電。STM32F103AET6作為主芯片，是以ARM Cortex-M3架構(gòu)為基礎(chǔ)的處理器，其內(nèi)核為32位，通信接口共5路，16位定時器共8個，可以滿足PWM波的多路輸出控制及串口通信需求。燈控節(jié)點(diǎn)電路主要涉及主控芯片、Wi-Fi模塊、ZigBee模塊及若干個電路間的通信及控制模塊。為了避免數(shù)據(jù)因斷電而丟失，特在硬件設(shè)計中加入Flash模塊及EEPROM存儲模塊，以此保存Wi-Fi名稱及密碼等信息。通過燈光警示電路，可判斷燈控節(jié)點(diǎn)的實際工作情況，該電路中的燈具在正常情況下需要保持常亮，在不正常情況下將熄滅，可為系統(tǒng)檢測提供便利。

2.1.2 驅(qū)動電路設(shè)計

LED燈具燈光的常態(tài)特性只與電流有關(guān)，基于此，在設(shè)計中應(yīng)用恒流驅(qū)動電路，以此獲取所需燈光的亮度及顏色，同時可以進(jìn)一步擴(kuò)大電流的利用空間。在系統(tǒng)中，RGBW四種色光的驅(qū)動電路都設(shè)計為相同形式，且都應(yīng)用市電隔離AC/DC形式的驅(qū)動電路。

在具體設(shè)計中，通過變壓器對220 V市電進(jìn)行變壓，然后使其流過橋式整流器，再通過穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓處理，最后應(yīng)用LED驅(qū)動器中的AL8805轉(zhuǎn)換器為LED照明系統(tǒng)提供恒流驅(qū)動電流。AL8805轉(zhuǎn)換器是專門為智能化LED照明系統(tǒng)的恒流驅(qū)動設(shè)計的一種DC/DC降壓型轉(zhuǎn)換器，其控制方式為PWM波輸入，可同時驅(qū)動的LED燈具數(shù)量為8個，可以滿足照明端的實際驅(qū)動需求。在此過程中，為了避免PWM信號受到干擾，進(jìn)一步確保電路的穩(wěn)定性，將1個10 kΩ的下拉電阻設(shè)置在PWM波輸入端及大地之間，并將2個33 Ω左右的電阻分別設(shè)置在VPN及SET的2個輸入引腳之間，以此調(diào)整輸出電流。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括通信協(xié)議設(shè)計、燈控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計、云端服務(wù)器設(shè)計及控制終端軟件設(shè)計。

2.2.1 通信協(xié)議設(shè)計

在設(shè)計智能化LED照明系統(tǒng)軟件中的通信協(xié)議時，在系統(tǒng)遠(yuǎn)端服務(wù)器及各個燈控節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)用樹枝格式固定的控制指令，其中的數(shù)據(jù)傳輸格式共有10個字節(jié)。系統(tǒng)軟件通信協(xié)議中的幀定義格式如表1所示。

表1 系統(tǒng)軟件通信協(xié)議中的幀定義格式

其中，幀頭主要判斷通信開始，在設(shè)計中，其固定值是0xFF；LDE ID主要控制單燈，通過移動智能終端，可進(jìn)行單燈分組，以此實現(xiàn)燈組控制，而在燈組控制模式下，單燈控制會失效；控制碼0x01～0xFF分別代表LED燈具的開關(guān)操作及各種的情景模式，在情景模式中，四色光值會失效；RGBW四種色光值的范圍都在0～255，其主要作用是將相應(yīng)的數(shù)據(jù)源提供給控制器的PWM輸出，以此達(dá)到混光、混色效果，調(diào)節(jié)LED的亮度及顏色；校驗碼主要為奇偶校驗形式，以此讓數(shù)據(jù)傳輸保持準(zhǔn)確；幀尾是對一個通信幀所進(jìn)行的約束，在設(shè)計中，將其固定值設(shè)置為0xFD。

2.2.2 燈控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

在智能化LED照明系統(tǒng)中，燈控節(jié)點(diǎn)的主要功能有兩個：（1）以調(diào)節(jié)器的形式設(shè)置在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中用作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的核心，其主要作用是處理采集到的環(huán)境信息；（2）實現(xiàn)整個系統(tǒng)和服務(wù)器之間的信息交互，從而遠(yuǎn)程控制環(huán)境數(shù)據(jù)信息的上傳及LED燈具的調(diào)節(jié)。考慮到控制指令數(shù)據(jù)量及系統(tǒng)之間的適用性，將云端控制指令的接收設(shè)置為優(yōu)先接收，在接收此指令之后才可以接收環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件中的主控節(jié)點(diǎn)程序流程如圖3所示。

圖3 主控節(jié)點(diǎn)程序流程示意圖

2.2.3 云端服務(wù)器設(shè)計

在智能化LED照明系統(tǒng)軟件中，云端服務(wù)器分為處理層及端口層。其中，處理層主要以MySQL數(shù)據(jù)庫為依托，其主要功能是報文數(shù)據(jù)解析、讀寫及儲存；端口層的主要作用是實現(xiàn)云端服務(wù)器、LED燈具控制端及用戶終端App之間的數(shù)據(jù)交互。借助HTTP協(xié)議，App端可以在云端服務(wù)器上創(chuàng)建需要的后端接口，以滿足其數(shù)據(jù)交換需求。智能家居中的本地端硬件設(shè)備不具備很高的相對性，在設(shè)計中主要通過MQTT（消息隊列遙測傳輸協(xié)議）實現(xiàn)云端服務(wù)器和用戶端硬件設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。MQTT是由IMB公司研發(fā)的一款及時型通信協(xié)議，該協(xié)議在當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在軟件設(shè)計中，主要應(yīng)用MQTT協(xié)議中的消息發(fā)布與消息訂閱模式。

上傳環(huán)境數(shù)據(jù)時，發(fā)布方是用戶端硬件，訂閱方是云端服務(wù)器；通過用戶App端下達(dá)遠(yuǎn)程智能化控制指令時，發(fā)布方是云端服務(wù)器，訂閱方是用戶端硬件。通過這樣的方式，可實現(xiàn)LED照明系統(tǒng)的智能化監(jiān)控，讓燈光亮度和顏色與實際環(huán)境達(dá)到良好的匹配效果；也可以根據(jù)用戶的實際需求進(jìn)行燈光顏色與亮度的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制，以此充分滿足用戶的個性化應(yīng)用需求。

2.2.4 控制終端軟件設(shè)計

在智能化LED照明系統(tǒng)中，控制終端主要基于Android系統(tǒng)設(shè)計，可以通過Android Studio開發(fā)控制軟件，通過Gradle自動化構(gòu)建用戶端App中的各種項目。在控制終端軟件中，主要的功能框架可以分為燈光控制模塊、系統(tǒng)管理模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)模塊及情景模式模塊四個模塊。各個功能模塊的主要功能如表2所示。

表2 控制終端軟件各個功能模塊的主要功能

3 結(jié)束語

綜上所述，在當(dāng)今的智能家居領(lǐng)域，智能化LED照明系統(tǒng)占據(jù)重要地位。通過合理設(shè)計智能化LED照明系統(tǒng)，不僅可以提升智能家居照明系統(tǒng)的節(jié)能降耗效果，還可以滿足用戶的日常照明需求及個性化情景照明需求，并進(jìn)一步提升照明燈具控制的便捷性與靈活性。另外，借助智能化LED照明系統(tǒng)的用戶終端App，可以實時采集智能家居室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)異常，為用戶提供更好的安全保障。基于此，在現(xiàn)代化智能家居的設(shè)計中，設(shè)計者要科學(xué)設(shè)計智能化LED照明系統(tǒng)，以此為用戶提供智能化的服務(wù)。