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无线智能照明控制系统的设计

Meng Zhiguo ¹ , Jie Guangchun ²

¹ Department of Electronics, Guangdong Industry Technical College, Guangzhou 510300,China

² Center of Laboratory, Guangdong Industry Technical College, Guangzhou 510300,China

¹ Corresponding Author: No.152 of Guangzhou Xingang West Road Postal Code 510300, Tel: 0086013719483860

E-mail: mzg168@sina.com

摘要

智能控制和调整LED照明网络系统，利用传感器技术，无线通信协议，智能控制技术，克服了各种技术标准的差异，缺乏沟通是阻碍智能化推广的问题灯光。扩展了传统的智能控制方法，根据功能规划方案，设计实现了三个子系统，然后进行软硬件的调试和融合。通过软件的方法，I / O输出的高低电平可以模拟PWM控制信号，PWM控制信号的占空比可以调节。从环境收集的亮度数据被改变成PWM控制信息。利用声学传感器，温度传感器和电压传感器进一步调整光线和颜色的分布曲线，将采集到的数据转化为PWM微调信号。设计的无线智能照明控制系统可以很好地解决区域跨度大，网络传输成本高，节点数量不确定的问题。

关键词：智能控制; 混合发展; ZigBee;PWM

介绍

随着物联网，智能家居等概念的兴起，智能照明控制技术及相关产品受到关注。如果建筑自动化和智能家居作为主要的管理系统，照明系统可能是智能家庭的一个子系统，也许它将是一个独特的连锁。 与白炽灯和荧光灯相比，LED光源色彩丰富，可控性好，不能与传统光源相媲美。只调整正向电流，就会调整光强度，颜色等指标。只有不同的颜色组合，才会实现各种变化。 通过顺序控制电路，很容易产生丰富多彩的动态效果。但是太多的通信协议，技术标准，权限技术可能阻碍了推广智能照明。如果我们能够整合主流技术来发挥各种技术专长，就能赢得市场。

智能照明控制总结

作为主要目的，照明控制可以实现自动功能，保护设备和二次节能等。有效的控制可以延长灯具的使用寿命，提高照明质量，改善工作环境，也可以获得各种照明效果。照明控制系统的发展经历了几个过程。第一，传统的照明控制系统，控制电路简单。第二，自动照明控制系统是电气时代的主要应用。第三，智能照明控制系统是研究LED照明的热点之一。

智能控制的研究非常活跃。将各种智能决策系统，专家控制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统技术应用于家庭自动化领域，应用于工业生产和办公自动化。

一般来说，智能控制是指非常规的某种人格化控制功能。智能控制器具有分层信息处理，模仿人的思维，决策的特点，非线性的，包括知识和经验的表示，学习，推理，适应，组织，功能和容错等。也就是说，人的智能，人工智能和综合智能组成智能控制系统，通过智能控制系统把控制系统称为智能实施的控制。

随着现代科学技术在计算机技术，微电子技术，自动控制技术和网络通信技术等方面的发展，智能照明控制系统可以通过客观条件，调度要求，环境变化和用户自动采集各种信息数据。然后对收集到的信息进行相应的逻辑分析和判断，以一定的形式传递结果，进行显示和反馈管理，以达到最佳的控制效果。如光照环境的智能控制，实现了智能控制技术对人工照明的灵活合理的控制，目的是为人造照明发光环境创造更高的质量。通信协议是实现智能控制的核心技术之一，它提供了数据传输模式，通信识别以及相互之间遵守实体之间的契约。 有线现场总线智能照明控制布线复杂，可扩展性差。同单芯片电脑技术和网络通讯技术的应用，对LED照明的无线智能控制逐渐有了要求。现在比较流行的无线通信技术有：通用分组无线业务（以下简称GPRS），蓝牙技术，Wifi无线网络通信技术，ZigBee无线通信技术等.Zigbee网络有三种不同形式的网络节点：协调器（中心），路由器，终端设备（终端节点）。

控制系统的设计

智能控制和常规控制密切相关。它们是互补关系，而不是相互排斥。在照明控制方面，盲目追求全智能控制，系统将从简单变为复杂。在这个设计中采用智能技术，可以扩展传统的控制方法。根据该区域的功能，分别对三个子系统进行软硬件调试。 第一个是子系统控制平台，通过INTERNET或者LAN，实现包括WEB客户端和服务器在内的大范围，用户可以查看控制系统的信息，并可以调整自动控制和远程的规则控制策略。 二是网络通讯子系统，包括GPRS-Zigbee协调器，负责用户通过GPRS网络连接Zigbee网络，实现信息交换。 第三个是Zigbee网络子系统，安装在GPRS-Zigbee协调器和Zigbee终端的灯具上，负责灯具状态信息和环境信息的采集和控制。子系统包含硬件设计部分和软件设计部分。 根据硬件设计是系统运行的载体，然后通过系统软件设计来实现功能，正确的系统运行需要硬件和软件的合理配置。 硬件部分包括元件选择，功能单元和电路设计，主要由灯具采集控制器，控制路由器，控制中心服务器和网络资源组成，以实现自动化LED灯具的检测，LED灯具的控制等。该软件包括ZigBee协议栈和写入参数设置，对灯具的所有工作状态进行智能管理和实时控制。预先设定灯具的策略控制工作，实现LED灯具的功率控制和自动检测。 整个系统方案如图1所示。

图1.照明控制系统的设计

硬件的分析和设计

采集控制器将采集ZigBee网络拓扑结构中各种LED灯具的信息，控制和数据传输的实现策略。 主要功能有控制照明开关，亮度控制，电流采样，电压采样和功率因数等。通过无线蜂窝或以太网的安全组成网状网络流量的路由控制器可连接在线网络实现远程控制设备的管理，还可以连接LAN / WAN交换机进行集中管理。它可以减少甚至完全避免每个终端收集和检查数据。

基站控制器实现数据远程传输，接收控制中心命令，将灯具信息上传到控制中心，完成ZigBee与GPRS网络的数据交换。 主要功能有灯具的顺序调整，数据记录，报警处理和发送。 它负责控制网络的运行，可以命令控制中心的节点将控制器和接线信息反馈给控制中心。集成了ZigBee-GPRS功能和本地存储的网关，支持多种物理接口，如以太网，串口，CAN总线和USB等智能控制部分主要通过CC2430定时器产生PWM脉冲方波，固定频率为2KHZ，通过改变占空比来改变LED驱动电路的电流大小。在计算机界面上及时显示检测和反馈，从CC2430的I / O读取电平。

单元电路设计

1，核心控制系统

单片机是微型计算机的重要分支，可以应用于控制功能，因此也被称为微控制器。 一般单片机集成了单片电路芯片，包括计算机元件的基本功能：CPU，存储器和I / O接口电路。 只要将单片机设置合适的软件并与外部电路相结合，就可以成为单片机控制系统.CC2430内部集成了增强型8051单片机和射频收发模块，只需少量外围元器件即可完成数据收发器。

8051单片机通过光电传感器或声传感器上的D / A转换处理信号。 这些信号经过A / D转换控制电路的计算和处理，通过放大器驱动接口操作，LED电源和电路显示。并行端口输出的高低电平可以用软件的方法模拟PWM控制，然后调整通过软件PWM占空比。根据环境光的亮度，采集到的数据转化为PWM控制，自动调节LED灯的亮度。 根据声音，温度或功率的不同，其他带有亮度控制模式的传感器将数据采集转换为PWM控制辅助照明，通过智能控制进一步调整LED灯的亮度。

2.声光控制系统

为了收集更多的信号，为了增加语音信号控制的功能，声光信号采集电路的设计如图2所示.MK1是语音信号输入。R5是光敏电阻。C2和R6用于延迟输出信号。根据逻辑关系可以看出，平时非门U1的管脚1和管脚2有高电平时，管脚10可以有效地输出低电平信号。 由于白天强光，R5阻值很小，电压较低。 无论MK1信号如何，如果输入引脚2为低电平，输出引脚10为高电平信号（void）。由于夜间弱光，R5电阻较大，输入引脚2为高电平。当输入语音信号通过MK1放大到9013时，输入引脚1高电平时，输出脚10将为低电平信号（有效）。如果有效信号加入MCU引脚22，则用MCU芯片单独处理确定的逻辑值。当输出I / O端口为逻辑1时，LED灯亮起。

图2声光信号采集电路

3，时间控制模块

DS1302作为时钟芯片主要是提高时序精度，更重要的是它可以在备用电源下继续定时，可编程选项可以为几乎不消耗电力的后备电源充电。时钟芯片通过三根线连接在一个单片机上。驱动能力较小时加上上拉电阻。本电路中BT1为备用电池。如果系统电源故障，BT1将为时钟芯片供电。如果时钟持续时间，系统重新启动时，时钟将不再重复计时。 当DS1302的所有寄存器读出小时，分钟和秒钟时，系统可以再次连续处理。在DS1302的第一次操作之前，必须对其进行初始化，然后从DS1302读取数据。 再次处理后，这些数据可以在缓冲单元上显示出来。DS1302作为实时芯片电路连线如图3所示。

图3.实时时钟芯片电路DS1302

3.3软件的分析与设计

控制系统的软件部分采用网络编程设计思想，分为基于ZigBee设备的上位机控制软件和控制软件。 软件开发使用IAR Embedded Workbench（EW）开发平台，该平台嵌入了C / C 优化的编译器，汇编器，连接定位器，库管理员，编辑器，项目管理器和c.spy调试器。IAR是专门的嵌入式应用程序开发工具。其他相关的软件开发包括：物理地址烧录设备，串口调试助手，数据分析仪.PC通过控制软件访问远程数据并控制基站控制器，包括参数配置，控制命令发送，灯具采集，灯具直观显示等状态状态（亮度），电压，电流，功率因数信息，遥控开关，调整灯具亮度，执行时间表，读取数据记录，监视事件和报警响应等。

软件还包括基于ZigBee技术的照明系统，作为应用层，网络层和物理层的控制部分。包括电源控制和灯具检测在内的程序应用层部分可以正常工作。在无线通信中发送和接收数据是最重要的功能。网络层建立路由协议栈可以建立网络拓扑。配置程序需要设置物理网络PANID和通道。 只有这些参数设置正常的通信，ZigBee网络才能区分其他网络。举例如下：ZigBee协议栈上的应用层程序由用户自己定义，它们实现了程序的功能，在SampleApp提供的应用层协议栈中修改和添加程序。为了反映功率控制，检测灯具照明，为了控制系统正常工作，在应用层面上增加了检测和控制过程。在应用层，为了收集发送到控制中心的数据，灯的控制系统位于控制中心。在应用层，开发环境的重要功能是由VC 提供的。执行应用程序层功能的所有任务事件由操作系统分配处理时间。通过添加该功能，所有任务可以调用操作系统的其他功能。初始化ZigBee协议栈的网络层，MAC层和应用层，得到相应的事件处理程序.ZigBee协议栈中工作的Config.cfg文件可以设置网络的PANID和工作通道。因此，从11-26的2.4G频段应选择11（0times;0b）开始建立频道。设置PANID 0xFFFF，ZigBee网络协调器会自动选择一个链路ID来获得最好的质量，默认为Ox0000。您也可以设置您自己的网络ID。路由器或终端节点将使用协调器的网络ID。

结论

结合了INTERNET，GPRS和ZigBee等电子信息技术，整合了各种新型的传感器类型，控制器，智能控制平台，协调员可以控制一个地区的灯具。系统中传输的数据量较少，所以ZigBee的低速率技术只能用于实现短距离通信。只有在远程控制水平上才选择GPRS方案，采用GPRS和INTERNET方式完成远程数据交换，实现远程控制。无线智能照明控制系统可以满足现状和照明控制网络的需要，可以很好地解决控制，成本和节能等问题。

致谢

这篇论文得到了部分学院科技项目的支持，项目名称：智能LED照明控制系统研究，编号：KJ201310

参考

[1]Li Wen.et al,”Intelligent control and its application were reviewed”.Journal of chongqing institute of post and telecommunications(natural science edition),2006,19(3),pp. 65-67.

[2] Ma Xiaojun.Intelligent lighting control system.Southeast university press(Nan Jing, 2009),pp.65-67.

[3]Wang Zhiyuan. et al,”LED lamps and lanterns of intelligent drive system design”. Journal of lamps and lighting.Vol.34,No.1(2010),pp.346-351.

[4]Wang Wei.et al.Green lighting-semiconductor lighting intelligent control principle an

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