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ZigBee无线模块组网技术,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ZigBee数据采集和智能控制,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ZigBee数传模块,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AT 24C 02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。
转载于:https://my.oschina.net/u/2328436/blog/387320
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