无线LED智能照明控制系统

LED 具有使用寿命长、光效高以及低功耗的特质，使得它在和传统照明灯具相比的时候优势明显。与此同时，近年来电力资源持续缺乏，国家一直在提倡节能环保、营造“绿色低碳”生活，LED 必将会取代传统照明产品。

    LED 的半导体器件的特性，使其在智能照明控制方面有绝对的优势，可以完美实现对照明灯具的调光调色、灵活设置、分组管理、状态查询和故障报警等功能，可以更加人性化的满足使用者的要求，实现最大限度的节能，有效地降低照明工程的维护成本。LED 照明走向智慧化已经成为一个发展趋势。

    “十二五”规划，国家确定了七大战略性新兴产业，而节能环保是其不变的主题。鸿雁电器积极响应国家发展政策，朝着智能、节能、绿色环保方向发展。基于鸿雁电器本身强大的产业链和产品矩阵，LED 产品依靠引进的主流设备及技术，跨界融合光电与信息产业科技，将智能化控制系统与LED 照明产品进行创造性地融合，为用户提供更低耗、更高效、更节能、更环保的LED 智慧照明系统解决方案。

1 现状分析

目前，普通家庭照明采用的基本是采用电工开关+传统灯具的模式，这种模式已延续几十年，并且已经成为人们的使用习惯，很难被改变，这种传统方式相对简单、有效、直观。但是，整个系统相对分散，无法实现有效的管理，其适时性和自动化程度太低，已经无法满足人们对照明的高效控制和功能多样化的需求。

    20 世纪90 年代初，随着计算机技术和网络技术的飞速发展，办公自动化、楼宇自动化、家庭自动化的出现，人们对照明控制提出了更高的要求，从而产生了智能照明控制方式。所谓智能照明控制，就是根据某一区域的功能、每天不同的时间、室内外亮度或该区域的用途来自动控制照明设备，并能够实现集中统一管理与监控的功能，并结合现代照明技术和照明艺术，科学地管理照明设备，让人们在一个不仅照明技术参数指标方面达到标准的要求，而且舒适、明亮并富有艺术魅力的照明环境里工作和生活。

    从智能照明控制系统的组成方式看，主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。市场上主流的系统主要有：KNX/EIB、ABB i-bus 系统、邦奇Dynet 系统、Philips 的DALI 总线、日本松下的HBS 总线、奇胜C-Bus 系统、Control4 以及X-10 的电力线载波系统等。上述系统的布线方式和传统电工布线规范都是不同的，而且这些系统价格高昂、设计复杂、维护成本高，不是一般用户能够承受的。

因此，结合LED 照明的发展趋势和智能照明控制的现状，运用目前主流的组网技术，研制开发的LED 智慧照明控制系统将大大满足人们对照明智能化、节能化以及人性化的需求。

2 系统架构

基于ZigBee无线模块 的LED 智慧照明控制系统架构如图1 所示。

图1 系统架构图

    整个系统由两个网络组成：WiFi无线局域网和ZigBee数传无线个域网。

    WiFi 局域网的作用是实现LED 智慧照明控制系统与智能终端（如智能手机、智能Pad 等）的互联互通，通过智能终端可以方便控制和管理系统；ZigBee 数传个域网的作用是实现所有驱动模块与控制设备、系统网关之间的互联互通，是LED 智慧照明系统的基础控制网络。

    系统产品遵循统一的交互协议，可实现不同控制器控制一个驱动模块，一个控制控制多个驱动模块，以及各种情景模式的设置与控制，结合照度自适应功能，可适应多种领域，如办公、家庭等，达到智能、节能的效果。

3 ZigBee技术的优势

(1) 低成本：数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，且无需缴纳专利费；

(2) 超低功耗：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年；

(3) 稳定性高： 网状网络提供高冗余通信路径，CSMA/CD 技术和确认机制确保了网络通信的稳定性；

(4) 组网简单：自组网和自动路由功能使得网络的构建和维护变得十分容易；

(5) 高安全性：提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用通用的AES-128 位加密算法；

(6) 兼容性：开放的标准使不同供应商的产品可以很容易实现互联互通；国际通用的免费频段使产品准入更为简单；(

7) 响应速度快：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短；

(8) 网络容量大：可支持管理多达65535 个节点。

4 系统特点

4.1 低成本、易安装

传统的智能照明控制解决方案需要预先布置大量的通信线缆，既影响美观又增加了施工的难度，特别是对已完成装修的家庭来说，重新布线需要破坏原有的装修环境，在很大程度上也增加了部署的成本。

本系统采用领先的ZigBee无线模块通讯技术和创新的安装方式，如图2 所示，无需在设备间额外安装通讯电缆，无需更换传统的开关，只需安装在灯具上，就可实现对灯光、窗帘等电器的和智能控制，任何一个非专业的电工都能安装。

图2 不同布线方式的安装方式

4.2 自组网，免调试

本系统采用了ZigBee数传模块网状网络结构，使无线信号可以在设备之间自动路由，从而使得通信网络不受点与点之间的距离局限而覆盖整个屋子。系统构建无需调试，系统上电自动组网，任何新加入的设备都能够自动加入网络，无需额外配置。

4.3 高可靠，易维护

本系统各个节点设备均配置独立的CPU 和存储器，配置信息均保存在节点设备上，即系统中任何一个设备出现故障，只是与该模块相关的功能失效，而不影响网络其他设备的正常运行，既有利于快速故障定位，又提高了照明控制系统的容错水平。

4.4 随时随地的多种控制方式

本系统多种集中控制方式，包括机械开关、触摸液晶屏、遥控器、智能手机、智能Pad 等，用户可以根据家居的环境和应用的场合自由选择控制的方式。通过安装LED 调光模块，传统的机械开关就能实现LED 灯具亮度调节。iPhone、iPad 以及Android 手机只需下载安装控制软件，通过简单设置即可实现对LED 照明系统的控制和管理。

5 系统硬件设计

5.1 节点结构

ZigBee/WiFi 网关采用透明传输的方式，由客户机发送控制指令，从节点设备接收指令，并执行相应的动作以及反馈执行后的状态，降低了以往智能系统主机高度集成带来的可靠性风险。ZigBee/WiFi 网关配有WiFi 模块和，WiFI 模块可通过无线路由器与智能终端设备连接，ZigBee 模块实现控制模块之间的无线组网。

ZigBee/WiFi 网关的硬件结构如图3 所示。

图3 ZigBee/WiFi 网关硬件结构

从节点选用采用意法半导体推出的高性能双串口8位单片机STM8S105k，存储器有EEPROM 芯片AT24C02组成。每个从节点配有ZigBee 无线通信模块与网关连接，实现命令控制和数据的传输。从节点硬件结构如图4 所示。

图4 从节点硬件结构

5.2 电源模块LNK304 是PI 公司推出的一款高效离线式开关电源芯片。

    LNK304 在一个IC 上面集成了一个700V 的功率MOSFET、振荡器、简单的开/ 关控制电路、高压开关电流源、频率调制、逐周期的电流限制及过温保护。器件在启动及工作期间的功率消耗直接由漏极引脚的电压来提供，因此，在BUCK 及反激式控制器中可节省偏置供电的相关电路。

LNK304 用来替代输出电流小于360mA 的所有线性及电容降压式非隔离电源。其系统成本与所替代的电源相等，但性能更好、效率更高。电源模块电路原理如图5 所示。

图5 电源模块电路原理

6 系统软件设计

6.1 系统网络架构本系统网络架构采用C/S 模式，在智能终端上安装客户端应用软件，驱动设备作为服务器，客户端实时访问、控制和设置服务器。系统网关作为TCP/IP 与ZigBee网络层协议的转换，应用层协议不进行任何处理，直接透传。系统网络架构如图6 所示。

图6 系统网络架构

软件通信流程如图7 所示。系统软件作为客户机，驱动模块作为服务器，客户机按照通信协议发送具体的控制和设置指令，由驱动模块直接接收和处理相应的指令，并且将ZigBee数据采集信息反馈信息到客户机。

图7 系统软件通信流程

6.2 ZigBee 网络协议

ZigBee 协议栈是在IEEE 802.15.4 标准基础上建立的，定义了协议的MAC 和PHY 层。

ZigBee数传设备应该包括IEEE 802.15.4（该标准定义了RF 射频以及与相邻设备之间的通信）的PHY 和MAC 层，以及ZigBee 堆栈层：网络层（NWK）、应用层和安全服务提供层。

6.3 系统管理界面系统管理完成的主要任务有：设备管理，包括添加和删除设备；房间管理，包括添加和删除房间，以及房间内的设备和常用场景；主界面设置，包括主界面常用场景设置、个性化设置等；设备同步，可实现不同终端设备之间配置信息的同步；主机设置，可对系统网关IP地址进行设置等。系统管理界面如图8 所示。

图8 系统管理界面

6.4 系统控制界面

系统控制实现的主要功能是：房间选择，可以选择各个房间，查看和控制房间内的设备；单独控制，针对房间内的设备可以进行单独控制，实现开关、调光、调色温、调色彩、窗帘开关等功能；场景控制，根据用户的预设，在房间内可以实现一键式场景控制；个性化图片显示，通过系统设置可以在房间内显示不同房间的图片。系统控制界面如图9 所示。

图9 系统控制界面

7 结语

本文使用用ZigBee 无线模块构建了LED智慧照明系统。它利用ZigBee数传模块进行ZigBee数据采集传输，可以充分发挥LED 数字化照明的优势，对推动LED 进入家居市场有着很重要的作用。目前正是发展LED 智慧照明系统的最佳时机，它将是LED改革浪潮的下一波新的增长点，对于促进LED 照明的发展、推对国民经济的增长有着重要的意义。