牛 犇，朱文章

（廈門理工學(xué)院，廈門 361000）

0 引言

我國是能源消耗大國，國家能源“十二五”規(guī)劃中明確，要大力發(fā)展節(jié)能降耗技術(shù)[1,2]。LED照明因其具有的無與倫比的優(yōu)勢[3～5]而廣泛被市場所認可和接納。但是，就目前LED照明技術(shù)而言，LED照明技術(shù)的開發(fā)和完善還有很長的路要走[5～10]。例如，如何使LED驅(qū)動更加穩(wěn)定，壽命更久；LED光源品質(zhì)的提升、LED智能化進步等等，都需要科研技術(shù)人員的再接再厲，不斷鉆研。

作為LED智能照明中很重要的一個環(huán)節(jié)——智能控制器，科研技術(shù)人員也一直在做著不斷的創(chuàng)新與完善，力求研究出更加智能化的控制器，為用戶創(chuàng)造更加舒適便捷的照明體驗[11～15]。

目前，應(yīng)用于LED控制的無線技術(shù)方案，主要有紅外控制，藍牙，ZigBee和Wi-Fi等幾種方案。王東波等[16]中提出了一種基于藍牙控制的家庭智能照明系統(tǒng)，理論上可以通過手機對照明系統(tǒng)實現(xiàn)星形拓撲結(jié)構(gòu)的一對多控制，但由于藍牙版本的多樣化兼容問題和藍牙連接最大節(jié)點數(shù)限制，使藍牙在智能燈光系牙的節(jié)點限制等問題，藍牙作為LED智能控制器的通信方式，其發(fā)展受到限制；文獻[17，18]分別提出了將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于小功率LED照明系統(tǒng)和LED路燈照明系統(tǒng)的觀點，一定程度上解決了LED遠距離控制的問題，但由于ZigBee技術(shù)的傳輸速率僅為250kb/s，這樣一定程度上限制了大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠渌S富的照明應(yīng)用需求，另外，由于ZigBee不同版本間的不兼容問題和大量節(jié)點開發(fā)的高昂成本問題，也對后續(xù)開發(fā)造成了一定的問題。此外，對于通信方式的安全性，也不得不給與更多的重視。

針對上述問題，本文選擇Wi-Fi作為智能控制器的通信方式，解決了大數(shù)據(jù)量的通信需求的同時，在數(shù)據(jù)安全與節(jié)能更是有著不俗的表現(xiàn)。

1 控制方案設(shè)計

設(shè)計方案：

如圖1所示，為系統(tǒng)的主要設(shè)計方案，本文中所設(shè)計的智能控制器（內(nèi)嵌于LED燈具內(nèi)部），可以通過Wi-Fi的AP直連和Wi-Fi通過路由器/網(wǎng)關(guān)連接兩種方式通過手執(zhí)設(shè)備控制LED燈具。除調(diào)光、調(diào)色溫、色彩氛圍調(diào)節(jié)（燈具允許）等基本功能外，還能夠通過控制器外部集成的人體紅外傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器對系統(tǒng)進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，滿足日常照明控制需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)更加豐富、智能的感官體驗。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

2 控制器硬件設(shè)計

本文中所設(shè)計的智能控制器硬件主要由兩部分構(gòu)成： Wi-Fi通信模塊電路和主控制器MCU電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 傳感器選型

2.1.1 光照傳感器

光敏傳感器采用KY-018光敏電阻模塊，此模塊靈敏度高，響應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點，能夠在高溫，潮濕條件下保持較高的穩(wěn)定性，能廣泛應(yīng)用于多種自動開關(guān)控制領(lǐng)域，能較好的適應(yīng)家庭室內(nèi)環(huán)境變化。

2.1.2 人體紅外傳感器

本設(shè)計采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，此模塊采用德國進口的LHI778頭對紅外信號進行采集，并通過紅外熱釋電處理芯片BISS0001對信號進行處理，并輸出高低電平。此模塊通過跳冒切換可選擇L（不可重復(fù)觸發(fā)）和H（可重復(fù)觸發(fā)）兩種觸發(fā)方式；5-200S可調(diào)延時時間范圍；工作溫度范圍廣，檢測距離3～7米，可以很好的滿足家庭室內(nèi)環(huán)境的需求。

2.1.3 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有抗干擾能力強，響應(yīng)快，體積小，功耗低等優(yōu)點，在擁有較高的性價比的基礎(chǔ)上，能保證極高的可靠性和長期的工作穩(wěn)定性。單線制串行接口，方便集成，傳輸距離可達20米以上，適應(yīng)很多苛刻環(huán)境。

2.2 通信模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)中選用HF-LPB100超低功耗嵌入式Wi-Fi?？?，此模塊提供UART串口等接口傳輸數(shù)據(jù)的解決方案，硬件集成了MAC，基頻芯片，射頻收發(fā)單元，以及功率放大器；嵌入式的固件支持Wi-Fi協(xié)議及配置和TCP/IP協(xié)議棧，傳統(tǒng)的低端串口設(shè)備或MCU控制設(shè)備都可以很方便的通過它接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計中，采用其支持的AP直連和路由器/網(wǎng)關(guān)兩種連接方式。

Wi-Fi模塊硬件電路設(shè)計中，集成了指示燈電路和四個功能按鍵來滿足不同的需求，將各通信引腳引出，滿足不同的擴展需求，考慮LED燈內(nèi)空間有限，PCB設(shè)計50mm×40mm的插針式雙層板，方便接插于單片機控制板上節(jié)省空間。其實物圖如圖3所示。

圖3 Wi-Fi模塊電路設(shè)計

2.3 MCU電路設(shè)計

MCU采用Atmel公司的ATmega2560八位單片機。此單片機具有56路數(shù)字I/O接口，其中14路PWM接口，16路模擬輸入接口，4路UART接口，6路外部中斷，4路串口通信，4路SPI通信接口，支持I2C通信，串口通信，SPI通信，有3.3V和5V兩種電源接口，適用于大量IO接口設(shè)計和PWM需求。

選擇此款芯片，主要考慮其方便的PWM功能及其A/D轉(zhuǎn)換功能以及ATmega2560系列芯片程序設(shè)計的簡化，PWM信號可直接與外部設(shè)備相連，使得所設(shè)計的外圍電路得到大大簡化，程序設(shè)計方便，成本得到降低。PCB設(shè)計為50mm×50mm的帶插槽模式，方便與Wi-Fi電路板接插。所有要用到的引腳均已用插針形式引出，方便接插傳感器和PWM控制端。

其中，除振蕩電路為MCU提供基礎(chǔ)的頻率時鐘外，本設(shè)計中還單獨設(shè)計了基于DS1307Z+時鐘芯片的高級時鐘電路，用來提供高級時鐘功能。電路設(shè)計使用超級電容電路來為時鐘芯片供電，省去了紐扣電池，以此提高電路的使用壽命和降低成本。

本設(shè)計中的電壓穩(wěn)壓降壓采用LD1117低壓差線性穩(wěn)壓器，將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V供給Wi-Fi模組使用，此穩(wěn)壓源允許輸入的最高電壓為16V，可提供1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5V和可調(diào)電壓輸出；其輸出電壓精度可控制在1%范圍內(nèi)；輸出電流范圍1mA-1A；具有很好的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率。其設(shè)計實物圖如圖4所示。

圖4 MCU設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序（如圖5所示）

圖5 主程序流程圖

3.2 LED光、色調(diào)節(jié)子程序（如圖6所示）

圖6 子程序1

3.3 光照傳感器子程序（如圖7所示）

圖7 子程序2

3.4 人體紅外傳感器子程序（如圖8所示）

圖8 子程序3

4 系統(tǒng)測試

如圖9所示，分別最高色溫、20%亮度，中間色溫、60%亮度，最低色溫、100%亮度。實驗數(shù)據(jù)顯示，手持移動終端控制信號與占空比信號一致，智能信號控制燈的亮度與色溫較穩(wěn)定，能夠通過手持設(shè)備和傳感器達到無極調(diào)光和多種色彩場景的調(diào)節(jié)效果，達到了研究目的，有一定的使用價值。

圖9 占空比測試

5 結(jié)束語

目前，Wi-Fi技術(shù)在智能LED家居照明領(lǐng)域，已經(jīng)有了一定程度的研究和發(fā)展。本技術(shù)在LED照明領(lǐng)域能起到一定的補充作用，并且具有較好的擴展能力，通過其開放接口，可廣泛應(yīng)用于其他智能家居產(chǎn)品，具有一定的實際意義和使用價值。

[1] 吳殿廷,何龍娟,肖敏,等.“十二五”規(guī)劃目標三議[J].開發(fā)研究,2010.5：1-8.

[2] 白泉,戴彥德.單位GDP能耗與節(jié)能降耗[J].世界環(huán)境,2007.3：15-18.

[3] 當LED光源的光效達到303lm/W,我們能做些什么[Z].中國LED網(wǎng).http：//www.qianjia.com/html/2014-05/04_229657.html 2014.5.4.

[4] 百度百科.綠色照明[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/30779.htm 2014.3.27.

[5] 光明網(wǎng).國務(wù)院推動LED智能照明成未來趨勢[EB/OL].http：//www.gmw.cn/ny/2013-08/13 /content_8589515.htm.

[6] 羅靜華.大功率LED驅(qū)動控制技術(shù)[D].西安：西安電子科技大學(xué),2010.

[7] 劉紅俠.大功率恒流型LED驅(qū)動芯片設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué),2008.

[8] 趙青青.智能照明控制系統(tǒng)的特點及應(yīng)用綜述[J].照明工程學(xué)報.2011,22(4)：112-116.

[9] 張利.辦公室室內(nèi)數(shù)字智能化LED照明光環(huán)境研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2010.

[10]梁人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學(xué)報,2014,4(25)：15-26.

[11]趙正輝,王艷,李宇.基于ARM9大功率半導(dǎo)體照明器智能驅(qū)動的開發(fā)[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報,2009,22(1)：28-31.

[12]劉蘊.LED智能照明控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].陜西：陜西科技大學(xué),2013.

[13]Hu Yuequan,Milan M Jovanovi’c.LED driver with selfadaptive drive voltage[J].IEEE Transactions on Power Electrinics,2008,23(6)：3,116-3：125.

[14]Masashi Sugano.Indoor Localization System Using Rssi Measurement of Wireless Sensor Network Based on Zigbee Standard[A].School of Comprehensive rehabilitation Osaka Prefecture University[C].2010：225-228.

[15]Jim Torresen,Eirik Renton.Wireless Sensor Data Collection based on Zigbee Communication[A].Proceedings of the 2010 Conference on New Interfaces For Musical Expression (NIME 2010),Sydney,Australia[C].2010：368-371.

[16]王東波,秦會斌,董勝奎.基于MCS一51和藍牙的家庭智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技,2013,(7)：199-201.

[17]李慧,吳建德,鄧焰,何湘寧.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動LM3409HV 的LED調(diào)光系統(tǒng)[J].照明工程學(xué)報,2011,22(4)：46-49.

[18]楊子威.基于ZigBee技術(shù)的LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,38(8)：40-45.