LED 具有使用壽命長(zhǎng)、光效高以及低功耗的特質(zhì)，使得它在和傳統(tǒng)照明燈具相比的時(shí)候優(yōu)勢(shì)明顯。與此同時(shí)，近年來(lái)電力資源持續(xù)缺乏，國(guó)家一直在提倡節(jié)能環(huán)保、營(yíng)造“綠色低碳”生活，LED 必將會(huì)取代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品。
LED 的半導(dǎo)體器件的特性，使其在智能照明控制方面有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，可以完美實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的調(diào)光調(diào)色、靈活設(shè)置、分組管理、狀態(tài)查詢和故障報(bào)警等功能，可以更加人性化的滿足使用者的要求，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能，有效地降低照明工程的維護(hù)成本。LED 照明走向智慧化已經(jīng)成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
“十二五”規(guī)劃，國(guó)家確定了七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，而節(jié)能環(huán)保是其不變的主題。鴻雁電器積極響應(yīng)國(guó)家發(fā)展政策，朝著智能、節(jié)能、綠色環(huán)保方向發(fā)展。基于鴻雁電器本身強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)品矩陣，LED 產(chǎn)品依靠引進(jìn)的主流設(shè)備及技術(shù)，跨界融合光電與信息產(chǎn)業(yè)科技，將智能化控制系統(tǒng)與LED 照明產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)造性地融合，為用戶提供更低耗、更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的LED 智慧照明系統(tǒng)解決方案。
1 現(xiàn)狀分析
目前，普通家庭照明采用的基本是采用電工開關(guān)+傳統(tǒng)燈具的模式，這種模式已延續(xù)幾十年，并且已經(jīng)成為人們的使用習(xí)慣，很難被改變，這種傳統(tǒng)方式相對(duì)簡(jiǎn)單、有效、直觀。但是，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)分散，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的管理，其適時(shí)性和自動(dòng)化程度太低，已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)照明的高效控制和功能多樣化的需求。
20 世紀(jì)90 年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，辦公自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化的出現(xiàn)，人們對(duì)照明控制提出了更高的要求，從而產(chǎn)生了智能照明控制方式。所謂智能照明控制，就是根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時(shí)間、室內(nèi)外亮度或該區(qū)域的用途來(lái)自動(dòng)控制照明設(shè)備，并能夠?qū)崿F(xiàn)集中統(tǒng)一管理與監(jiān)控的功能，并結(jié)合現(xiàn)代照明技術(shù)和照明藝術(shù)，科學(xué)地管理照明設(shè)備，讓人們?cè)谝粋€(gè)不僅照明技術(shù)參數(shù)指標(biāo)方面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且舒適、明亮并富有藝術(shù)魅力的照明環(huán)境里工作和生活。
從智能照明控制系統(tǒng)的組成方式看，主要有總線型、電力線載波型、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)型等。市場(chǎng)上主流的系統(tǒng)主要有：KNX/EIB、ABB i-bus 系統(tǒng)、邦奇Dynet 系統(tǒng)、Philips 的DALI 總線、日本松下的HBS 總線、奇勝C-Bus 系統(tǒng)、Control4 以及X-10 的電力線載波系統(tǒng)等。上述系統(tǒng)的布線方式和傳統(tǒng)電工布線規(guī)范都是不同的，而且這些系統(tǒng)價(jià)格高昂、設(shè)計(jì)復(fù)雜、維護(hù)成本高，不是一般用戶能夠承受的。
因此，結(jié)合LED 照明的發(fā)展趨勢(shì)和智能照明控制的現(xiàn)狀，運(yùn)用目前主流的ZigBee無(wú)線模塊組網(wǎng)技術(shù)，研制開發(fā)的LED 智慧照明控制系統(tǒng)將大大滿足人們對(duì)照明智能化、節(jié)能化以及人性化的需求。
2 系統(tǒng)架構(gòu)
基于ZigBee無(wú)線模塊 的LED 智慧照明控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖
整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成：WiFi無(wú)線局域網(wǎng)和ZigBee數(shù)傳無(wú)線個(gè)域網(wǎng)。
WiFi 局域網(wǎng)的作用是實(shí)現(xiàn)LED 智慧照明控制系統(tǒng)與智能終端（如智能手機(jī)、智能Pad 等）的互聯(lián)互通，通過(guò)智能終端可以方便控制和管理系統(tǒng)；ZigBee 數(shù)傳個(gè)域網(wǎng)的作用是實(shí)現(xiàn)所有驅(qū)動(dòng)模塊與控制設(shè)備、系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)之間的互聯(lián)互通，是LED 智慧照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制網(wǎng)絡(luò)。
系統(tǒng)產(chǎn)品遵循統(tǒng)一的交互協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)不同控制器控制一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，一個(gè)控制控制多個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，以及各種情景模式的設(shè)置與控制，結(jié)合照度自適應(yīng)功能，可適應(yīng)多種領(lǐng)域，如辦公、家庭等，達(dá)到智能、節(jié)能的效果。
3 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
(1) 低成本：數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本，且無(wú)需繳納專利費(fèi)；
(2) 超低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5 號(hào)干電池可使用6 個(gè)月到2 年；
(3) 穩(wěn)定性高： 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提供高冗余通信路徑，CSMA/CD 技術(shù)和確認(rèn)機(jī)制確保了網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性；
(4) 組網(wǎng)簡(jiǎn)單：自組網(wǎng)和自動(dòng)路由功能使得網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和維護(hù)變得十分容易；
(5) 高安全性：提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用通用的AES-128 位加密算法；
(6) 兼容性：開放的標(biāo)準(zhǔn)使不同供應(yīng)商的產(chǎn)品可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通；國(guó)際通用的免費(fèi)頻段使產(chǎn)品準(zhǔn)入更為簡(jiǎn)單；(
7) 響應(yīng)速度快：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短；
(8) 網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持管理多達(dá)65535 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
4 系統(tǒng)特點(diǎn)
4.1 低成本、易安裝
傳統(tǒng)的智能照明控制解決方案需要預(yù)先布置大量的通信線纜，既影響美觀又增加了施工的難度，特別是對(duì)已完成裝修的家庭來(lái)說(shuō)，重新布線需要破壞原有的裝修環(huán)境，在很大程度上也增加了部署的成本。
本系統(tǒng)采用領(lǐng)先的ZigBee無(wú)線模塊通訊技術(shù)和創(chuàng)新的安裝方式，如圖2 所示，無(wú)需在設(shè)備間額外安裝通訊電纜，無(wú)需更換傳統(tǒng)的開關(guān)，只需安裝在燈具上，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光、窗簾等電器的ZigBee數(shù)據(jù)采集和智能控制，任何一個(gè)非專業(yè)的電工都能安裝。
圖2 不同布線方式的安裝方式
4.2 自組網(wǎng)，免調(diào)試
本系統(tǒng)采用了ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使無(wú)線信號(hào)可以在設(shè)備之間自動(dòng)路由，從而使得通信網(wǎng)絡(luò)不受點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離局限而覆蓋整個(gè)屋子。系統(tǒng)構(gòu)建無(wú)需調(diào)試，系統(tǒng)上電自動(dòng)組網(wǎng)，任何新加入的設(shè)備都能夠自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需額外配置。
4.3 高可靠，易維護(hù)
本系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備均配置獨(dú)立的CPU 和存儲(chǔ)器，配置信息均保存在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，即系統(tǒng)中任何一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，只是與該模塊相關(guān)的功能失效，而不影響網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的正常運(yùn)行，既有利于快速故障定位，又提高了照明控制系統(tǒng)的容錯(cuò)水平。
4.4 隨時(shí)隨地的多種控制方式
本系統(tǒng)多種集中控制方式，包括機(jī)械開關(guān)、觸摸液晶屏、遙控器、智能手機(jī)、智能Pad 等，用戶可以根據(jù)家居的環(huán)境和應(yīng)用的場(chǎng)合自由選擇控制的方式。通過(guò)安裝LED 調(diào)光模塊，傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)LED 燈具亮度調(diào)節(jié)。iPhone、iPad 以及Android 手機(jī)只需下載安裝控制軟件，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 照明系統(tǒng)的控制和管理。
5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
5.1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
ZigBee/WiFi 網(wǎng)關(guān)采用透明傳輸?shù)姆绞剑煽蛻魴C(jī)發(fā)送控制指令，從節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收指令，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作以及反饋執(zhí)行后的狀態(tài)，降低了以往智能系統(tǒng)主機(jī)高度集成帶來(lái)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。ZigBee/WiFi 網(wǎng)關(guān)配有WiFi 模塊和ZigBee數(shù)傳模塊，WiFI 模塊可通過(guò)無(wú)線路由器與智能終端設(shè)備連接，ZigBee 模塊實(shí)現(xiàn)控制模塊之間的無(wú)線組網(wǎng)。
ZigBee/WiFi 網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 ZigBee/WiFi 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)
從節(jié)點(diǎn)選用采用意法半導(dǎo)體推出的高性能雙串口8位單片機(jī)STM8S105k，存儲(chǔ)器有EEPROM 芯片AT24C02組成。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)配有ZigBee 無(wú)線通信模塊與網(wǎng)關(guān)連接，實(shí)現(xiàn)命令控制和數(shù)據(jù)的傳輸。從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。
圖4 從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
5.2 電源模塊LNK304 是PI 公司推出的一款高效離線式開關(guān)電源芯片。
LNK304 在一個(gè)IC 上面集成了一個(gè)700V 的功率MOSFET、振蕩器、簡(jiǎn)單的開/ 關(guān)控制電路、高壓開關(guān)電流源、頻率調(diào)制、逐周期的電流限制及過(guò)溫保護(hù)。器件在啟動(dòng)及工作期間的功率消耗直接由漏極引腳的電壓來(lái)提供，因此，在BUCK 及反激式控制器中可節(jié)省偏置供電的相關(guān)電路。
LNK304 用來(lái)替代輸出電流小于360mA 的所有線性及電容降壓式非隔離電源。其系統(tǒng)成本與所替代的電源相等，但性能更好、效率更高。電源模塊電路原理如圖5 所示。
圖5 電源模塊電路原理
6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
6.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用C/S 模式，在智能終端上安裝客戶端應(yīng)用軟件，驅(qū)動(dòng)設(shè)備作為服務(wù)器，客戶端實(shí)時(shí)訪問(wèn)、控制和設(shè)置服務(wù)器。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)作為TCP/IP 與ZigBee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用層協(xié)議不進(jìn)行任何處理，直接透?jìng)鳌Ｏ到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6 所示。
圖6 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
軟件通信流程如圖7 所示。系統(tǒng)軟件作為客戶機(jī)，驅(qū)動(dòng)模塊作為服務(wù)器，客戶機(jī)按照通信協(xié)議發(fā)送具體的控制和設(shè)置指令，由驅(qū)動(dòng)模塊直接接收和處理相應(yīng)的指令，并且將ZigBee數(shù)據(jù)采集信息反饋信息到客戶機(jī)。
圖7 系統(tǒng)軟件通信流程
6.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
ZigBee 協(xié)議棧是在IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC 和PHY 層。
ZigBee數(shù)傳設(shè)備應(yīng)該包括IEEE 802.15.4（該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF 射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信）的PHY 和MAC 層，以及ZigBee 堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。
6.3 系統(tǒng)管理界面系統(tǒng)管理完成的主要任務(wù)有：設(shè)備管理，包括添加和刪除設(shè)備；房間管理，包括添加和刪除房間，以及房間內(nèi)的設(shè)備和常用場(chǎng)景；主界面設(shè)置，包括主界面常用場(chǎng)景設(shè)置、個(gè)性化設(shè)置等；設(shè)備同步，可實(shí)現(xiàn)不同終端設(shè)備之間配置信息的同步；主機(jī)設(shè)置，可對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)IP地址進(jìn)行設(shè)置等。系統(tǒng)管理界面如圖8 所示。
圖8 系統(tǒng)管理界面
6.4 系統(tǒng)控制界面
系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)的主要功能是：房間選擇，可以選擇各個(gè)房間，查看和控制房間內(nèi)的設(shè)備；單獨(dú)控制，針對(duì)房間內(nèi)的設(shè)備可以進(jìn)行單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)、調(diào)光、調(diào)色溫、調(diào)色彩、窗簾開關(guān)等功能；場(chǎng)景控制，根據(jù)用戶的預(yù)設(shè)，在房間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)一鍵式場(chǎng)景控制；個(gè)性化圖片顯示，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置可以在房間內(nèi)顯示不同房間的圖片。系統(tǒng)控制界面如圖9 所示。
圖9 系統(tǒng)控制界面
7 結(jié)語(yǔ)
本文使用用ZigBee 無(wú)線模塊構(gòu)建了LED智慧照明系統(tǒng)。它利用ZigBee數(shù)傳模塊進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集傳輸，可以充分發(fā)揮LED 數(shù)字化照明的優(yōu)勢(shì)，對(duì)推動(dòng)LED 進(jìn)入家居市場(chǎng)有著很重要的作用。目前正是發(fā)展LED 智慧照明系統(tǒng)的最佳時(shí)機(jī)，它將是LED改革浪潮的下一波新的增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)于促進(jìn)LED 照明的發(fā)展、推對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)有著重要的意義。