呂天剛，王躍飛 ，呂鶴男

(1.鴻利智匯集團股份有限公司，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

隨著半導體照明技術的進步，以及人們對照明數(shù)量和質量的需求的提高，智能照明、健康照明越來越受到關注。如何讓半導體照明技術與現(xiàn)代信息技術更完美地結合，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，并取得了許多實質性的進展。我們將介紹一種基于Wi-Fi無線通信技術和手機APP控制終端的LED照明控制系統(tǒng)設計方案，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+算法”，即LED為核心光源，將其與網(wǎng)絡、移動設備、數(shù)字調(diào)制算法相結合的設計思路，具體包括：第一、基于網(wǎng)絡局域網(wǎng)和手機APP技術，制定總體方案架構路線；第二、研究混光混色的原理，光色的數(shù)字調(diào)制技術，設計軟件算法；第三、根據(jù)研究內(nèi)容，實施系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計；第四、最后進行連機調(diào)試和試驗驗證。

1 總體方案設計

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。推動智能手機發(fā)展一個重要因素便是移動網(wǎng)絡以及無線網(wǎng)絡的發(fā)展，如今的智能移動設備能隨時隨地的連接網(wǎng)絡[2]。

本設計采用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，聚集了大量的消費者，目前智能手機市場超過七成為Android OS系統(tǒng)，可謂絕對主導地位。 第二，開源系統(tǒng)，應用廣泛——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)出各種應用程序，而避免專利風險[3]。

2)通信協(xié)議。本項目中的通信協(xié)議主要完成的任務是，搭建一個信息橋梁，實現(xiàn)本地照明控制器、手機控制終端、網(wǎng)關/路由器的即時數(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。下面結合本研究項目具體需求，對這三類協(xié)議進行技術比較，選出適合的方案，如表1所示。

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

通過對比，三種通信技術各有優(yōu)缺點。Wi-Fi技術的優(yōu)點是傳播速率最高、傳播距離遠、網(wǎng)絡容量大，缺點是成本高、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技術不但可以用于筆記本和臺式機的無線上網(wǎng)，同時也能用于手機的無線上網(wǎng)[4]。ZigBee的優(yōu)點是網(wǎng)絡容量大，功耗低，成本低、帶控制功能，缺點是傳輸速度慢。這對于需要無線監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)來說至關重要[5]。藍牙的優(yōu)點是抗干擾能力強、成本低、功耗低、傳播速率高，缺點是傳播距離短、網(wǎng)絡容量小。所以它一般用于高速且節(jié)點少的WPAN中[6]。

3)總體方案架構。本控制系統(tǒng)的總體方案，是基于本文設計需求分析、設計目標的關鍵系統(tǒng)平臺分析，結合現(xiàn)有計算機技術而制定的。同時，在具體實施過程中，對系統(tǒng)和各個細節(jié)部分進行了技術探索和創(chuàng)新，特別是手機APP的功能設置、控制系統(tǒng)的光、色、電計算編碼控制等。本系統(tǒng)的總體方案架構圖如圖1所示。

圖1 總體方案架構圖Fig.1 Overall schema diagram

2 硬件設計

硬件電路設計為LED照明控制系統(tǒng)設計的核心工作之一。由于下達指令的人機交互界面在手機端運行在獨立的APP上，因此涉及到硬件設計的部分主要為控制對象設備終端，也就是LED照明設備的硬件電路。

1)驅動器電路。LED照明設備中的驅動器，其功能是為LED照明設備提供驅動電源，具體來說就是將220 Vac高壓交流電市電轉換成穩(wěn)定低壓直流供電，匹配設備中的低壓直流負載，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驅動電源直接決定了LED燈的可靠性[7]。根據(jù)本項目的負載分析結果，驅動電源設計為恒壓輸出，且電壓為24 Vdc最為合適，輸出功率為LED電路負載與控制器電路負載之和，計算得29.82 W?？紤]到LED負載前端恒流驅動和控制器電路驅動轉換效率，以及電路元器件差異等，為電路增加10%～15%的設計裕量。從而實際功率輸出上限設計為35 W。結合項目需求，在分析、計算及驅動方案收集、整理的基礎上繪制驅動器硬件電路原理圖。

2)控制器電路?？刂破麟娐分饕韶撠熾娫崔D換的IC驅動電路、負責無線收發(fā)的Wi-Fi電路、負責信息處理的MCU微型處理器、負責信息采集的傳感器，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備中作為附屬設備，也可以作為主控芯片控制外設和傳輸數(shù)據(jù)[8]。根據(jù)項目設計目標和總體方案，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負載，如圖2所示。

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

3 軟件設計

1)設計規(guī)劃。本系統(tǒng)軟件設計階段的工作任務是開發(fā)出穩(wěn)定運行于手機端的APP軟件和運行于LED照明設備端MCU軟件，即圖3中的軟件系統(tǒng)Ⅰ和軟件系統(tǒng)Ⅱ，從而最終實現(xiàn)系統(tǒng)的原定設計目標。設計過程共分為四個部分，資源分析、需求分析、軟件設計、聯(lián)機調(diào)試驗證。

根據(jù)本課題需求和設計內(nèi)容設計目標，規(guī)劃手機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)算法設計。本項目軟件設計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內(nèi)容是對各類傳感器轉換來的電信號進行采集和判斷，主要涉及基本的電平狀態(tài)0、1讀取和進行A/D、D/A編解碼轉換后讀數(shù)等的常規(guī)操作，本文不作贅述。數(shù)據(jù)加工部分的任務內(nèi)容是根據(jù)手機操作端輸入的指令和環(huán)境信息收集數(shù)據(jù)，計算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，進而實現(xiàn)混光混色[9]。主要涉及調(diào)光調(diào)色的軟件實現(xiàn)原理。下面對此重點介紹。

(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的標準照明區(qū)域的兩端分別選擇一白光光源，在CIE1931色度圖中對應的標準照明區(qū)域的兩端之間選擇至少一白光光源。這樣，根據(jù)一天中不同時間點的目標日光所需要的光源要求，則可確定應當選擇哪兩個白光LED作為混合光源，并根據(jù)公式計算白光光源的發(fā)光量比例，通過控制器控制對應白光LED的光通量輸出。

本文硬件電路設計部分，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)制實施方案。

(a)調(diào)制方法?？刂葡到y(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時采樣環(huán)境照度變化，調(diào)用軟件系統(tǒng)Ⅱ中植入的修正子程序，計算補償值，對混光后的光通量數(shù)值進行修正。

(b)功能索引及編碼表。根據(jù)軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)目標、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 設計驗證

1)聯(lián)機調(diào)試。聯(lián)機調(diào)試驗證。把軟件安裝到硬件中運行測試、調(diào)試，驗證結果和設計目標的符合性。對系統(tǒng)的所有功能對照設計目標編寫測試項目表，根據(jù)測試項目內(nèi)容逐項測試并記錄，最后整理測試結果。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)設計方案制定操作手冊(圖9)，根據(jù)操作手冊試驗系統(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)試驗驗證。經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試后，使用YF1000光色電綜合分析系統(tǒng)對各項性能參數(shù)進行了測試，并做了記錄。經(jīng)分析，系統(tǒng)功能正常，各項性能指標與原設計目標一致。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)預期，具備實用性。具體試驗結果如表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)標準要求試驗結果判定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)絡連接Wi-Fi網(wǎng)絡連接正常系統(tǒng)Ⅱ啟動啟動正常、身份碼識別正常系統(tǒng)Ⅱ網(wǎng)絡連接Wi-Fi網(wǎng)絡連接正常2)開關鍵ON: 開指示開燈正常合格OFF:關指示關燈正常3)CRI:顯色性設置鍵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,其他鍵均有效,且Tc/F為設定的值。GL時,自動切換到普通模式,并處理相應按鍵功能。即其他按鍵優(yōu)先級均高于自然光模式。每次開機時NL復位,開始一次新的循環(huán)。關機時保存當前RI,WM,IC,TD,Tc/F設置值(NL除外),再次開機時均依上次設置合格自然光,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燈。例如,白天關燈,晚上開燈。光控開延時0 s, 光控關延時0 s,HI:人體感應指示 human infrared induction switch 人體感應模式正常人體感應,人在開燈,人走關燈LH:光控+人體感應指示光控/熱釋紅外復合模式正常白天關燈,晚上有人開燈,無人關燈 6) TD:定時裝置(timing device)∞:非定時關燈非定時模式正常合格0.5:開燈0.5 h后自動關燈定時開關正常,誤差小于2 s1.0:開燈1 h后自動關燈2.0:開燈2 h后自動關燈4.0:開燈4 h后自動關燈

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 結束語

我們研究了一種基于Wi-Fi無線通信技術和手機APP控制終端的LED照明控制系統(tǒng)設計方案。通過試驗，本方案能夠實現(xiàn)手機端Wi-Fi網(wǎng)絡照明控制及聲、光感應和熱釋紅外感應控制，特別是精確混光混色功能，可實現(xiàn)照明的節(jié)能、智能和健康舒適三大功能特點。

本文的人機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用設計成普通家用智能照明產(chǎn)品，簡化操作界面，如可以設計成更通俗的圖形化界面，或把一系列復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)照明應用領域，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，設計開發(fā)專業(yè)的照明控制系統(tǒng)，進行精細化控制，以滿足應用需求。